M´ASTER UNIVERSITARIO EN SISTEMAS TELEM´ATICOS E
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M´ASTER UNIVERSITARIO EN SISTEMAS TELEM´ATICOS E
MÁSTER UNIVERSITARIO EN SISTEMAS TELEMÁTICOS E INFORMÁTICOS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Trabajo Fin de Máster REDES DE TRANSPORTE HETEROGÉNEAS PARA FEMTOCELDAS 3G RURALES EN PAÍSES EN DESARROLLO AUTOR: ESTEBAN MUNICIO HERNÁNDEZ TUTOR: EDUARDO MORGADO REYES 2014 ”¿Tiene el mundo hoy los elementos materiales como para hacer posible que 7 mil u 8 mil millones de personas puedan tener el mismo grado de consumo y de despilfarro que tienen las más opulentas sociedades occidentales? ¿Será eso posible? ¿O tendremos que darnos algún dı́a, otro tipo de discusión? Porque hemos creado esta civilización en la que estamos: hija del mercado, hija de la competencia y que ha deparado un progreso material portentoso y explosivo. Pero la economı́a de mercado ha creado sociedades de mercado. Y nos ha deparado esta globalización, que significa mirar por todo el planeta. Por ello digo, en mi humilde manera de pensar, que el problema que tenemos es de carácter polı́tico. Los viejos pensadores - Epicúreo, Séneca o incluso los Aymaras- definı́an: ”pobre no es el que tiene poco sino el que necesita infinitamente mucho, y desea más y más”. Esta es una clave de carácter cultural.” José Mújica, 2012 Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo Sostenible ”La ciencia no es sino una perversión de sı́ misma a menos que tenga como objetivo final el mejoramiento de la humanidad” Nikola Tesla Agradecimientos A mi familia, que como siempre, me ha apoyado en todas las decisiones que he tomado. A Javier Simó, quién me ha guiado y motivado durante mi estancia en el TUCAN3G y de quién he aprendido mucho gracias a su discurso coherente y razonado. A los compañeros del TUCAN3G y EHAS, por su trabajo para lograr un mundo un poquito mejor, y en concreto a Andrés Martı́nez, por haber hecho posible este bonito proyecto. A la gente del Departamento de Teorı́a de la Señal y Comunicaciones, por acompañarme durante mi estancia en la URJC, entre ellos, a Eduardo Morgado por su disposición y buen rollo. A Amalia por regalarme su sonrisa. Resumen Este trabajo trata la problemática de proveer de conexión a redes de acceso de femtoceldas 3G/4G en zonas rurales o aisladas. Para ello se plantea una red de transporte de bajo coste capaz de conectar estas femtoceldas con pasarelas a redes de alta capacidad salvando grandes distancias. Se consideran básicamente tres tipos de tecnologı́as: WiFi, WiMAX y VSAT. Tras estudiar el funcionamiento de cada una de ellas y analizar el estado del arte respecto a su uso en zonas rurales, se modela, simula y prueba el rendimiento de cada una de ellas en función de sus distintas configuraciones y obteniendo resultados en términos de throughput, retardo, jitter y pérdida de paquetes. Una vez estudiada cada tecnologı́a por separado, se realiza un breve estudio, tanto en términos de rendimiento como en términos de costes, de las implicaciones que tiene usar estás tecnologı́as en redes de transporte multisalto. Por último se consideran dos ejemplos de redes de transporte multisalto inalámbricas y se valida en ellas cada tecnologı́a para dar servicio a redes de acceso de femtoceldas. Este trabajo has sido realizado gracias a las aportaciones de los distintos miembros del TUCAN3G que participaron en el D51: Technical requirements and evaluation of WiLD, WIMAX and VSAT for backhauling rural femtocells networks [1]. Contents 1 INTRODUCCIÓN . . . . . . . 1.1 Contexto y alcance . . . . . 1.2 El proyecto TUCAN3G . . . 1.3 Objetivos y planificación . . 1.3.1 Antecedentes . . . . 1.3.2 Objetivo General . . 1.3.3 Objetivos Especı́ficos 1.3.4 Justificación . . . . . 1.3.5 Planificación . . . . . 1.4 Consideraciones previas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 MARCO TEÓRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Estado del arte de las tecnologı́as WiFi aplicadas en enlaces de larga distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Descripción de los estandares IEEE 802.11 . . . . . . . 2.2.2 Capa fı́sica de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . DSSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . HT 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VHT 802.11ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Capa MAC IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa MAC de los estándares IEEE 802.11 a/b/g/n/ac Capa MAC no estandarizada . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Consideraciones para enlaces WiFi de larga distancia . Capa PHY en enlaces WiFI de larga distancia . . . . . Capa MAC en enlaces WiFI de larga distancia . . . . . 2.3 Estado del arte de las tecnologı́as WiMAX aplicadas en enalces de larga distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Descripción de los estándares . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Capa fı́sica de 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Capa MAC 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Consideraciones para enlaces WiMAX de larga distancia vii 1 1 3 5 5 7 7 7 8 9 10 10 10 10 13 14 16 20 23 24 26 29 30 30 32 33 33 34 35 38 CONTENTS viii 2.4 Estado del arte de las tecnologı́as VSAT aplicadas de larga distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Descripción de los estandares . . . . . . . 2.4.2 Capas PHY y MAC de para VSAT . . . . DVB-RCS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . IPoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S-DOCSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . SCPC/MCPC . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Fabricantes y productos . . . . . . . . . . 2.4.4 Aplicación de VSAT para redes rurales . . 2.4.5 Otras consideraciones . . . . . . . . . . . . 3 Metodologı́a y materiales . . . . . . . . . . . 3.1 Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Caracterización de los experimentos . . . . . 3.2.1 Caracterización de equipos . . . . . . 3.2.2 Caracterización del laboratorio . . . 3.2.3 Caracterización en redes reales . . . . Red de Telemedicina de Balsapuerto Red de Telemedicina del Napo . . . . 3.3 Realización de experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . en enalces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 42 43 43 45 47 47 48 50 51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 53 55 56 58 61 62 64 66 4 Caracterización de enlaces inalámbricos IEEE 802.11 4.1 Modelado teórico IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Validación del simulador ns-3 para IEEE 802.11 . . . . 4.2.1 Dependencia con la distancia . . . . . . . . . . 4.2.2 Fidelidad con el modelo . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Estudio del punto de saturación . . . . . . . . . 4.3 Resultados para IEEE 802.11a/b/g . . . . . . . . . . . 4.3.1 IEEE 802.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 IEEE 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 IEEE 802.11g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Resultados para IEEE 802.11n . . . . . . . . . . . . . 4.5 Acerca de IEEE 802.11e y QoS . . . . . . . . . . . . . 4.6 Resultados para NV2 y AirMAX . . . . . . . . . . . . 4.7 Discusión de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Rendimiento de las distintas tecnologı́as . . . . 4.7.2 Influencia de las capas fı́sicas . . . . . . . . . . 4.7.3 Costes: CAPEX y OPEX . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Otras consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 71 75 76 78 79 82 83 85 88 91 107 109 115 115 120 123 127 5 Caracterización de enlaces inalámbricos 802.16 5.1 Modelado teórico IEEE 802.16 . . . . . . . . . . 5.1.1 Modelado del Throughput . . . . . . . . 5.1.2 Modelado del Retardo . . . . . . . . . . 5.2 Validación del simulador ns-3 para IEEE 802.16 5.2.1 Estudio del punto de saturación . . . . . 5.2.2 Dependencia con la distancia . . . . . . 5.3 Resultados para IEEE 802.16 . . . . . . . . . . 5.4 Discusión de resultados . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Rendimiento de IEEE 802.16 . . . . . . 5.4.2 QoS en WiMAX PtP . . . . . . . . . . . 5.4.3 Influencia de las capas fı́sicas . . . . . . 5.4.4 Costes: CAPEX y OPEX . . . . . . . . 5.4.5 Otras consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 . 128 . 129 . 135 . 138 . 139 . 142 . 143 . 152 . 152 . 153 . 154 . 157 . 159 6 Caracterización de enlaces VSAT . . . . . . . . 6.1 Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Resultados para Hughes Ku DVB-2/IPoS 6.1.2 Resultados para Tooway Ka S-DOCSIS . 6.2 Discusión de resultados . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Rendimiento de los enlaces VSAT . . . . 6.2.2 Influencias de las capas fı́sicas . . . . . . 6.2.3 Costes: CAPEX y OPEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 . 161 . 162 . 165 . 168 . 168 . 169 . 169 7 COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS . . . . . . . . . . . 7.1 Comparación de rendimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Comparación en costes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Consideraciones adicionales en redes de transporte multisalto 7.3.1 Comparación de las tecnologı́as en redes multisalto . 7.3.2 Soporte de QoS en redes multisalto . . . . . . . . . . 7.3.3 Evaluación de red multisalto para backhauling de Femtoceldas en un escenario real . . . . . . . . . . . Caracterización de tráfico de una femtocelda . . . . . Red de Telemedicina de Balsapuerto . . . . . . . . . Red de Telemedina del Napo . . . . . . . . . . . . . . . 174 . 174 . 178 . 179 . 179 . 183 . . . . 186 186 194 196 8 CONCLUSIONES GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS Bibliografı́a . . . . 203 208 Lista de Figuras 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Evolución de la población mundial según los datos del Banco mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TUCAN3G: Wireless technologies for isolated rural communities in developing countries based on cellular 3G femtocell deployments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución de la penetración de la telefonı́a móvil en la población mundial (2005-2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alternativas de redes de transporte consideradas en el proyecto TUCAN3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad espectral de potencia en DSSS . . . . . . . . . . . Ejemplo de espectro de OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de funcionamiento del Prefijo Cı́clico en OFDM . . Relación entre distancia y SNR definida legalmente por la FCC 15.247 para distintos tipos de enlaces . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de trama TDD de WiMAX Fijo . . . . . . . . . . . Variación de la RSSI con la distancia medida en escenarios reales de enlaces de larga distancia . . . . . . . . . . . . . . Throughputs a nivel TCP en un enlace descendente WiMAX a varias distancias para las distintas modulaciones . . . . . . Modelo de arquitectura DVB-RCS . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura IPoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 6 . 14 . 17 . 18 . 31 . 36 . 39 . 40 . 44 . 46 Cobertura del satélite Eutelsat KA-SAT . . . . . . . . . . . . Cobertura del satélite Hispasat 1-D . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de tests contemplados para en el laboratorio de la URJC Ubicación de la red de Telemedicina de Balsapuerto del GTRPUCP/EHAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalle de la red rural de Balsapuerto del GTR-PUCP/EHAS durante 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ubicación de la red de Telemedicina del Napo del GTRPUCP/EHAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detalle de la la red de Telemedicina del Napo del GTRPUCP/EHAS durante 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 2 57 58 59 62 63 64 65 LISTA DE FIGURAS 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 Relación del throughput con la distancia para la tasa Ofdm6Mbps de 802.11a en ns-3 con el σd = 20 ns . . . . . . Efecto del AckTimeout en IEEE 802.11b en el simulador ns-3 para los distintos bitrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto del AckTimeout para distintos valores en IEEE 802.11a en el simulador ns-3 con el bitrate Ofdm6Mbps . . . . . . . Comparación del modelo con el simulador ns-3 de IEEE 802.11n con MCS7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variación del Throughput de saturación para distintos valores de SlotTime a determinadas distancias en IEEE 802.11g . . Throughput para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . . . Latencia para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jitter para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paquetes perdidos para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11a obtenidos con el modelo teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11a obtenidos con el simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11a a una distancia de 20 Km . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11a a una distancia de 40 Km . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11b obtenidos con el modelo teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11b obtenidos con el simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11b a una distancia de 20 Km . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11b a una distancia de 40 Km . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11g obtenidos con el modelo teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de throughput de saturación en 802.11g obtenidos con el simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11g a una distancia de 20 Km . . . . . . . . Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11g a una distancia de 40 Km . . . . . . . . xi . 76 . 77 . 78 . 79 . 79 . 80 . 81 . 81 . 82 . 83 . 84 . 85 . 85 . 86 . 87 . 87 . 88 . 89 . 89 . 90 . 90 xii LISTA DE FIGURAS 4.22 Valores de throughput de saturación en 802.11n obtenidos con el modelo teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23 Comparación de throughput de saturación en 802.11n obtenidos con el modelo teórico, el simulador y experimentos a distancia cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.24 Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11n a una distancia de 20 Km . . . . . . . . . 4.25 Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11n a una distancia de 40 Km . . . . . . . . . 4.26 Comparación del throughput de saturación obtenido con BlockAck, con agregación de tramas y sin BlockAck ni agregación de tramas en el MCS0 de IEEE 802.11n . . . . . . 4.27 omparación del throughput de saturación obtenido con BlockAck, con agregación de tramas y sin BlockAck ni agregación de tramas en el MCS7 de IEEE 802.11n . . . . . . 4.28 Evolución del throughput de saturación para distintos tamaños de trama agregada a distancias de 0, 15 y 30 Km y distitnas configuraciones con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.29 Evolución del throughput de saturación para distintos tamaños de trama agregada a distancias de 0, 15 y 30 Km y distitnas configuraciones con MCS15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.30 Variación del throughput de saturación con la distancia para distintos niveles de agregación en MCS0 . . . . . . . . . . . . 4.31 Variación del throughput de saturación con la distancia para distintos niveles de agregación en MCS7 . . . . . . . . . . . . 4.32 Evolución del retardo con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 . . 4.33 Evolución del retardo con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 . . 4.34 Evolución del jitter con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 . . 4.35 Evolución del jitter con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 . . 4.36 Evolución de la pérdida de paquetes con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.37 Evolución de la pérdida de paquetes con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.38 Retardo de transmisión según la agregación de tramas para los distintos MCSs con un ancho de canal de 40 MHz. . . . . . 91 92 93 93 94 95 96 96 97 98 99 99 100 100 101 101 105 LISTA DE FIGURAS xiii 4.39 Throughput de saturación (MCSx) y con retardo limitado (MCSx-lim) en 802.11n para modulaciones SISO en función de la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.40 Throughput en función de la cara en un enlace NV2 a distancia 0 para tramas de 2 ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.41 Throughput en función de la cara en un enlace NV2 a distancia 0 para tramas de 10 ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.42 Latencia en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 2 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.43 Latencia en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.44 Throughput saturación y con retardo acotado de 5 ms en un enlace NV2 real de 30 Km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.45 Aproximación del throughput de saturación en función de la distancia realizada en función de medidas experimentales en NV2 con trama de 2 ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.46 Aproximación del throughput de retardo acotado en función de la distancia realizada en función de medidas experimentales en NV2 con trama de 2 ms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.47 Throughput de saturación para las distintas versiones de IEEE 802.11 en la mayor modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.48 Comparación de medidas de throughput de saturación realizadas en el laboratorio para 802.11n, NV2 y AirMAX . . 117 4.49 Comparación de medidas de jitter de saturación realizadas en el laboratorio para 802.11n, NV2 y AirMAX . . . . . . . . . . 117 4.50 Comparación del throughput medido experimentalmente a una distancia de 30 Km en 802.11n y NV2 . . . . . . . . . . . 118 4.51 Comparación de la evolución del retardo medido experimentalmente a una distancia de 30 Km en 802.11n y NV2 . . . . . . . . . . 119 4.52 Comparación del throughput con la distancia para 802.11n y NV2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.53 Medidas de consumo de potencia de un equipo WiFi 802.11n durante un perı́odo de una hora, con perı́odos de baja carga y uso intensivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Ejemplo de trama TDD WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de PDU MAC en WiMAX cuando se realiza packing Simulación del throughput UL+DL en función de la carga en un enlace WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulación del retardo en función de la carga en un enlace WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pérdidas en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 134 139 140 141 LISTA DE FIGURAS xiv 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Jiiter en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput de saturación UL+DL en función de la distancia en un enlace WiMAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Valores de throughput UL+DL de un enlace WiMAX de distancia cero para las distintas modulaciones calculados mediante modelo, simulador y experimentos. . . . . . . . . . Valores de throughput UL+DL de un enlace WiMAX para cada distancia calculados mediante modelo, simulador y experimentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput UL+DL a distancia cero en WiMAX para distintos valores de CP y duración de trama. . . . . . . . . . Variación de throughput UL+DL de WiMAX con la distancia para distintos valores trama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Latencia en WiMAX en función del tamaño de la trama para CP=1/4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Latencia en WiMAX en función del tamaño de la trama para CP=1/32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del throughput UL en WiMAX con la carga . . . Evolución del throughput DL en WiMAX con la carga . . . Latencia UL en función de la carga en un enlace WiMAX . . Latencia DL en función de la carga en un enlace WiMAX . . Jitter UL en función de la carga en un enlace WiMAX . . . Jitter DL en función de la carga en un enlace WiMAX . . . Throughput UL+DL en saturación y en no saturación en función de la idstancia para WiMAX. . . . . . . . . . . . . . Evolución del throughput en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del retardo en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del jitter en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución de las pérdidas en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del throughput en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del retardo en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución del jitter en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución de las pérdidas en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 . 142 . 143 . 144 . 145 . 145 . 147 . . . . . . . 147 148 149 149 150 151 151 . 152 . 162 . 163 . 164 . 165 . 165 . 166 . 167 . 167 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 Throughput de saturación y de retardo acotado para las distintas tecnologı́as a distancia cero . . . . . . . . . . . . . Throughput de saturación en función de la distancia para las distintas tecnologı́as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput de retardo acotado en función de la distancia para las distintas tecnologı́as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput de saturación y de retardo acotado obtenido con VSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años en función de la distancia total de un backhaul multisalto lineal ofreciendo 26 Mbps . . Otra visión de la comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años en función de la distancia total de un backhaul multisalto lineal ofreciendo 26 Mbps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as terrestres sin usar VSAT ofreciendo 26 Mbps. . . Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as terrestres cuando hace uso de VSAT para ofrecer 26 Mbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de encapsulado del tráfico de voz de downlink . . . Esquema de encapsulado del tráfico de voz de uplink . . . . Esquema de encapsulado del tráfico de datos de uplink y downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de tráfico autosimilar generado con la distribución Pareto para un valor esperado de 5 Mbps . . . . . . . . . . . . 175 . 176 . 176 . 177 . 178 . 179 . 180 . 181 . 182 . 187 . 187 . 190 . 193 Lista de Tablas 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Parámetros PHY y MAC para DSSS en IEEE 802.11b . . . . Parámetros PHY y MAC para DSSS en IEEE 802.11b . . . . Parámetros PHY de codificación y modulación en IEEE 802.11a Parámetros PHY y MAC para OFDM en IEEE 802.11a y 802.11g Lista de MCSs disponibles para IEEE 802.11n con 1 y 2 flujos espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Parámetros PHY y MAC para OFDM en IEEE 802.11n . . . . 2.7 Caracterı́sticas de las versiones de WiMAX 2004 y 2009 . . . 2.8 Parámetros PHY OFDM para WiMAX fijo . . . . . . . . . . . 2.9 Algunas soluciones disponibles para DVB-RCS2 . . . . . . . . 2.10 Algunas soluciones disponibles para IPoS . . . . . . . . . . . . 2.11 Algunas soluciones disponibles para S-DOCSIS . . . . . . . . . 2.12 Algunas soluciones disponibles para SCPC . . . . . . . . . . . 22 23 34 35 49 49 49 50 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Equipamiento WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipamiento WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equipamiento VSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descripción de los satélites Eutelsat KA-SAT y Hispsat Equipamiento de apoyo en el laboratorio . . . . . . . . Parámetros PHY y MAC configurables en 802.11n . . . Parámetros PHY y MAC configurables en NV2 . . . . Parámetros PHY y MAC configurables en WiMAX . . Configuración IP en los equipos VSAT . . . . . . . . . 56 56 56 57 60 67 68 69 69 4.1 4.2 Valores para τ y p en el modelo teórico de IEEE 802.11 . . . Valores para τ y p en el modelo teórico de IEEE 802.11 aplicando una PER de 0.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parámetros MAC para OFDM en IEEE 802.11a . . . . . . Parámetros MAC para DSSS en IEEE 802.11b . . . . . . . . Parámetros MAC para OFDM y DSSS en IEEE 802.11g . . Parámetros MAC en IEEE 802.11n . . . . . . . . . . . . . . Throughput de saturación obtenidos mediante el modelo, el simulador y experimentos para distintas modulaciones en 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 xvi . . . . . . . . . 1-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 16 19 19 . 72 . . . . . 73 83 86 88 91 . 92 LISTA DE TABLAS 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 20 MHz y GI=800ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 40 MHz 7 GI=800ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 40 MHz y GI=400ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados experimentales de throughput de saturación y throughput con el retardo acotado para dos enlaces reales con y sin agregación de tramas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procentaje del throughput del máximo que corresponde al throughput con retardo acotado en 802.11n para los distintos MCSs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput de saturación para un flujo VoIP cuando comparte el enlace con otro flujo BE en IEEE 802.11e . . . Throughput de saturación para un flujo BE cuando comparte el enlace con otro flujo VoIP en IEEE 802.11e . . . . . . . . Retardo de saturación para un flujo VoIP cuando comparte el enlace con otro flujo BE en IEEE 802.11e . . . . . . . . . . . Retardo de saturación para un flujo BE cuando comparte el enlace con otro flujo VoIP en IEEE 802.11e . . . . . . . . . . Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 y AirMAX para distancia 0 con canal de 20 MHz y GI=800ns . . . . . . . . . . . . . . . Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 y AirMAX para distancia 0 con canal de 40 MHz y GI=800ns . . . . . . . . . . . . . . . Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 para distancia 0 con canal de 40 MHz y GI=400ns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medidas de throughput experimentales obtenidas para NV2 para realizar la aproximación . . . . . . . . . . . . . . . . . Parámetros PHY usados para calcular el balance de enlace . Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii . 102 . 103 . 104 . 104 . 106 . 107 . 107 . 108 . 108 . 109 . 110 . 110 . 114 . 121 . 122 . 122 LISTA DE TABLAS xviii 4.24 Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.25 Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11n/NV2/AirMAX en la banda de 2.4 GHz . . . 123 4.26 Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11n/NV2/AirMAX en la banda de 5 GHz . . . . 123 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6.1 6.2 6.3 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 Parámetros PHY y MAC para OFDM en WirelessHUMAN IEEE 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Throughput UL+DL en wimax a distancia cero con CP=1/4 para las distintas modulaciones y duraciones de trama . . . . Throughput UL+DL en wimax a distancia cero con CP=1/32 para las distintas modulaciones y duraciones de trama . . . . Parámetros PHY usados para calcular el balance de enlace . Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en WiMAX en la banda de 3 GHz . . . . . . . . . . . . . . . Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en WiMAX en la banda de 5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . 129 . 146 . 146 . 155 . 155 . 156 Retardo round trip obtenido mediante la herramienta ping en un enlace VSAT Hughes DVB-2/IPoS 4+1 . . . . . . . . . . . 164 Retardo round trip obtenido mediante la herramienta ping en un enlace VSAT Hughes DVB-2/IPoS 4+1 . . . . . . . . . . . 166 SNR normalizada percibida en los terminales remotos VSAT . 169 Tamaño de un paquete de voz para un usuario en UL y DL cuando se realiza compresión de cabeceras RTP . . . . . . . Tráfico de voz en Kbps generado por una femtocelda para diferente número de usuarios simultáneos . . . . . . . . . . Caracterización del tráfico de datos según la ITU-T por el parámetro hurst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de población y throughput agregado para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto . . . . Datos de tráfico de voz para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de tráfico de datos para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de las tecnologı́as para usarlas en la red de transporte para dar servicio a la femtoceldas de cada población de la Red de Telemedicina de Balsapuerto . . . . . . . . . . Datos de población para cada localización en la Red de Telemedicina del Napo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de tráfico de voz para cada población en la Red de Telemedicina del Napo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 . 188 . 191 . 194 . 194 . 195 . 196 . 196 . 197 7.10 Datos de tráfico de datos para cada población en la Red de Telemedicina del Napo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.11 Comparación de las tecnologı́as para usarlas en la red de transporte para dar servicio a la femtoceldas de cada población de la Red de Telemedicina del Napo . . . . . . . . . . . . . . . 197 xx LISTA DE TABLAS Glosario AC - Access Class ACK - Acknowledgement ACM - Adaptive Coding and Modulation AIFS - Arbitration Inter Frame Spacing AIFSN - Arbitration Inter Frame Spacing Number AMR - Adaptive Multi Rate AP - Access Point APSK - Amplitude and Phase Shift Keying ARQ - Automatic Request AUPC - Automatic Power Control BCH - Bose Chaudhuri Hocquenghem BE - Best Effort BPSK - Binary Phase Shift Keying BS - Base Station BSSMAP - Base Station Management Application Part CAPEX - Capital Expenditures CDMA - Code Division Multiplexing Access CID - Connection Identifier CP - Cylic Prefix CSMA-CA - Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection CW - Congestion Window DCD - Downlink Channel Descriptor DCF - Distributed Coordination Function DFT - Discrete Furier Transform DIFS - DCF Interframe Space DIUC - Downlink Interval Usage Code DL - Downlink DLFP - Downlink Frame Prefix DOCSIS - Data Over Cable Service Interface Specificiation DS-CDMA - Direct Sequence - CDMA DRA - Dynamic Rate Adacptation DSCP - Differentiated Services Code Point DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum DTN - Delay Tolerant Networks DVB - Digital Video Broadcasting EDCA - Enhanced Distributed Channel Access EHAS - Enlace Hispanoamericano de Salud EIFS - Extended Interframe Space EIRP - Equivalent Isotropic Radiation Power ERTPS - Extended Realt Time Polling Service ETSI - European Telecommunications Standards Institute 2 LISTA DE TABLAS FCC - Federal Communications Commission FCH - Frame Control Head FFT - Fast Fourier Transform FH-CDMA - Frequency Hopping - CDMA FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum FIR - Finite Impulse Response FDMA - Frequency Division Multiple Access FTP - File Transfer Protocol GEO - Geostationary Earth Orbit GI - Guard Interval GLONASS - Global Navegation Satellite Sistem GPS - Global Positioning System GTR - Grupo de Telecomunicaciones Rurales GW - Gateway HARQ - Hybrid ARQ HCF - Hybrid Coordination Function HFSC - Hierarchical Fair Service Curve HNS - Hughes Networts Sistems HTB - Hierarchical Tocken Bucket HTTP - HyperText Tranfer Protocol IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers IFFT - Inverse Fast Fourier Transform IP - Internet Protocol IPoS - IP over Satellite IR - InfraRed ISI - Inter Symbol Interference ISP - Internet Service Provider ITU-T - International Telegraph Union - Telecommunication LAN - Local Area Network LDPC - Low Density Parity Check LOS - Line Of Sight LSRF - Linear Feedbak Shift Registers MAC - Media Acces Control MBR - Maximum Burst Rate MCPC - Multiple Channel Per Carrier MCS - Modulation and Coding Scheme MEO - Medium Earth Orbit MFB - MCS Feedback MF-TDMA - Multi Frequency TDMA MIMO - Multiple Input Multiple Output MMPP - Markov Modulated Poisson Process MPLS - Multi Protocol Label Swichting MODOCOD - Modulation and Codification LISTA DE TABLAS MRQ - MCS Request MSR - Maximum Sustained Rate NAT - Network Address Translation NCTU - National Chiao Tung University NLOS - Non Line of Sight NS-3 - Network Simularot 3 NRTPS - Non Ral Time Polling Service NTP - Network Time Protocol NV2 - Network Simulation 2 OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing OMNET - Objective Modular Network Testbed OPEX - Operational Expenditures PCF - Point Coordination Function PHY - Physical PLPC - Physical Layer Convergence Protocol PN - Pseudo Noise PTMP - Point To Multi Point PTP - Point To Point PSDU - Physical layer Service Data Unit PSK - Phase Shift Keying PUCP - Pontifica Universidad Católica del Perú QAM - Quadrature Amplitude Modulation QPSK - Quaternary Phase Shift Keying RAN - Radio Access Network RCS - Return Channel Satellite RF - Radio Frequency RFC - Request For Comments RIFS - Reduced Inter Frame Space RSSI - Received Signal Strength Indicator RT - Return RTG - Receive Transition Gap RTP - Real Time Protocol RTSP - Real Time Polling Service S-CDMA - Synchronous CDMA SCPC - Single Channel per Carrier SDMA - Space Division Multiple Access S-DOCSIS - Satellite DOCSIS SFID - Service Flow Identifier SIFS - Short Inter Frame Space SI-SAP - Satellite Independent Service Access Point SISO - Single Input Single Output SME - Small Medium Enterprise SNR - Signal to Noise Relation 3 SS - Subscriber Station SSID - Service Set Identifier STA - Station STBC - Space Time Block Coding SVM - Support Vector Machine TCP - Transport Control Protocol TDD - Time Division Duplexing TDM - Time Division Multiplexing TDMA - TDM Access TIC - Tecnologı́as de Información y Comunicación TIWS - Telefónica Internacional World Services TTG - Transmit Time Gap TXOP - Transmission Opportunity UCD - Uplink Channel Descrpitor UDP - User Datagram Protocol UTP - Unshielded Twisted Pair UMTS - Universal Mobile Telecommunication System UGS - Unsolicited Grant Service UIUC - Uplink Interval Usage Code UL - Uplink USD - United States Dollar VCM - Variable Coding and Multiplexing VHT - Very Hight Throughput VI - Vulnerability Interval VLAN - Virtual LAN VoIP - Voice over IP VSAT - Very Small Aperture Terminal WLAN - Wireless Local Area Network WMAN- Wireless Metropolitan Area Network WIMAX - Worldwid Interoperability for Microwave Access WWW - World Wide Web Chapter 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Contexto y alcance Las Tecnologı́as de la Información y Comunicación (TIC) cada vez se introducen más y de forma más rápida en la forma de vida de las personas, generando nuevas posibilidades y mejorando su calidad de vida. Las TIC están comenzado a representar uno de los factores más importantes en casi todos los ámbitos de un paı́s: social, económico, cultural, polı́tico, educativo, medioambiental, etc. Sin embargo estas mejoras que proporcionan las TIC no se transfieren de una forma uniforme en la población mundial, creando la llamada Brecha Digital[2]. Esta Brecha Digital implica que ciertos sectores de la población mundial carentes de tecnologı́a están en desventaja social y económica respecto a la población que sı́ tiene acceso a las TIC. Por lo tanto, cuanto mayor sea esta brecha mayor será la desigualdad y de manera regresiva, cuanto mayor sea la desigualdad mayor será la Brecha Digital. La Brecha Digital es especialmente grande en las zonas rurales, sobre todo en las zonas rurales de los paı́ses en desarrollo. Debido a que, según el Banco Mundial, para el año 2030 el 85% de la población mundial vivirá en paı́ses con ı́ndice de desarrollo bajo[3], reducir la Brecha Digital en los paı́ses pobres cobra una vital importancia. Además, actualmente existe una tendencia migratoria del campo a la ciudad, siendo estos flujos de mayor intensidad en los paı́ses más pobres. En 2013 el porcentaje de la población mundial que vive en zonas rurales fue del 46%[3] como se puede apreciar en la Figura 1.1, un porcentaje que va decreciendo debido a la falta de oportunidades y a la baja calidad de vida existente en las zonas rurales de los paı́ses más pobres. De hecho, en la actualidad la población urbana crece en 180000 personas cada dı́a[3]. A largo plazo, estos flujos migratorios crean una situación que se perfila insostenible desde el punto de vista económico, polı́tico, energético y ecológico. 1 2 CHAPTER 1. INTRODUCCIÓN Figure 1.1: Evolución de la población mundial según los datos del Banco mundial Por este motivo, se considera que una forma de mejorar la calidad de vida a largo plazo en las zonas rurales de los paı́ses en desarrollo es facilitando el acceso a las TIC y, por lo tanto, evitando el despoblamiento de las mismas. Para lograr un desarrollo rural a largo plazo, cualquier polı́tica debe de ir acompañada de un modelo de desarrollo territorial TIC que se ajuste a las necesidades de cada región. Ası́ pues, este proyecto marca como su objetivo final la reducción de la Brecha Digital en las zonas rurales de los paı́ses pobres haciendo que las TIC sean una herramienta que les facilite mejorar su nivel de desarrollo humano en términos económicos, de salud, de educación y de comunicación. 1.2. EL PROYECTO TUCAN3G 1.2 El proyecto TUCAN3G Figure 1.2: TUCAN3G: Wireless technologies for isolated rural communities in developing countries based on cellular 3G femtocell deploymentsl El proyecto TUCAN3G (Wireless technologies for isolated rural communities in developing countries based on cellular 3G femtocell deployments)[4] es un proyecto europeo enmarcado dentro del programa FP7 que busca dar acceso TIC a zonas rurales de paı́ses en desarrollo a través de femtoceldas 3G. Este proyecto se basa en la idea de que la telefonı́a móvil es la tecnologı́a más extendida en todo el mundo para proporcionar acceso a las TIC. Un alto grado de penetración se está dando en prácticamente todos los paı́ses, incluso en los más pobres. La Figura 1.3 muestra como durante los últimos años el uso de la telefonı́a móvil se ha incrementado notablemente, llegando a tasas cercanas al 100% [5]. Figure 1.3: Evolución de la penetración de la telefonı́a móvil en la población mundial (2005-2013) Sin embargo, las zonas rurales de estos paı́ses generalmente no poseen servicios de telefonı́a móvil o los que poseen son de muy baja calidad. Esto es debido principalmente a los altos costes de las infraestructuras en dichas zonas, tanto de la red de acceso como de la red de transporte. En 3 4 CHAPTER 1. INTRODUCCIÓN la mayorı́a de los paı́ses desarrollados, este despliegue de infraestructuras en las zonas rurales se realizó durante el siglo XX por parte de compañı́as estatales financiadas por los ciudadanos y son ahora operadas por empresas privadas que, sin la adecuada regulación, solamente invierten donde esperan sacar un beneficio económico. Debido a factores históricos, este proceso de despliegue y posterior privatización no se ha dado en la mayorı́a de los paı́ses en desarrollo, cuyos gobiernos han sido inestables o han tenido poca capacidad ejecutiva. Esto ha provocado que los despliegues iniciales hayan sido realizados por empresas privadas, generalmente grandes empresas de paı́ses de la OCDE, cuyas operaciones no han sido reguladas por polı́ticas gubernamentales de cobertura universal, sino que han sido marcadas por intereses económicos. Esto se he traducido en que en la actualidad en los paı́ses pobres generalmente sólo existe acceso TIC en las zonas urbanas y semi-urbanas. Zonas con baja densidad de población no han sido rentables desde el punto de vista clásico, donde se necesitan grandes infraestructuras para ofrecer una determinada demanda de servicios que no siempre existe. Por este motivo, el proyecto TUCAN3G plantea dar acceso a servicios de voz y datos a estas zonas aisladas de paı́ses en desarrollo mediante el uso de infraestructuras de bajo coste. De esta manera, se busca encontrar un modelo de explotación diseñado especı́ficamente para hacer que las operadoras encuentren rentable desplegar redes en zonas rurales, reduciendo los costes de las infraestructuras y dimensionando adecuadamente la oferta de servicios. Para lograr esto, se propone usar nuevas tecnologı́as inalámbricas basadas en femtoceldas 3G y su evolución 4G en las redes de acceso y el uso de WiFi para Largas Distancias (WiLD), WiMAX y terminales satélite de pequeña apertura (VSAT) en las redes de transporte. Este planteamiento permite plantear infraestructuras de bajo coste, de bajo consumo energético y de bajo mantenimiento,lo cual permite que sea una solución sostenible a medio y largo plazo para el operador de la red. Este nuevo enfoque, acompañado de estrategias y modelos de negocio basados en estudios de mercado de dichas zonas rurales, permitirá que empresas de telecomunicaciones privadas o incluso estatales encuentren rentable una inversión en infraestructuras en zonas rurales donde tradicionalmente no lo eran. De esta manera, el modelo de despliegue propuesto por el proyecto TUCAN3G puede suponer un gran avance para el despliegue TIC en multitud de poblaciones aisladas en paı́ses en desarrollo, pudiendo revertir en una gran reducción de la Brecha Digital en estas zonas a medio y largo plazo. A modo demostrador, el proyecto TUCAN3G plantea desplegar una plataforma en regiones de selva peruanas, de forma que la solución propuesta pueda ser verificada, tanto desde el punto de vista técnico como desde el punto de vista de modelo de negocio. 1.3. OBJETIVOS Y PLANIFICACIÓN 1.3 1.3.1 Objetivos y planificación Antecedentes Este Trabajo Fin de Máster se enmarca dentro de el proyecto TUCAN3G, concretamente en el paquete de trabajo encargado de estudiar, planificar y optimizar la red de transporte. Tradicionalmente todas las redes de comunicaciones móviles tienen tres partes bien diferenciadas: la red de acceso (access network ), la red de transporte (backhaul network ) y la red núcleo (core network ). La red de acceso es aquella que da servicio directamente a los usuarios mediante estaciones base o puntos de acceso y generalmente se encarga de tareas tı́picas como control de admisión y congestión, planificación de canales (scheduling), administración de recursos radio, codificación, multiplexación y finalmente acceso al medio RF. Cabe mencionar que, con el aumento de la densidad de estaciones base, se está tendiendo a que dichas funciones se desplacen y centralicen hacia otros elementos de red ubicados en las redes de transporte y core. La red core es una red de alto rendimiento, generalmente sobre-dimensionada y con arquitecturas ad-hoc para lograr una alta redundancia, la cual está compuesta por numerosos sistemas autónomos. Cada sistema autónomo es una red privada que ofrece servicios de conectividad a los usuarios con el resto de sistemas autónomos y se accede a ellos mediante nodos pasarela o gateway. Ası́ pues, la de transporte es la encargada de conectar la red de acceso con la red core. Generalmente, las redes de transporte también son de alta capacidad, con enlaces de fibra óptica, enlaces coaxiales o enlaces inalámbricos en la banda milimétrica (EHF) y pueden operar tanto en modo infraestructura como en modo ad-hoc. Solamente en aquellas zonas realmente alejadas del gateway de la red core, se considera el uso de tecnologı́as satelitales. En el presente trabajo se aborda el estudio de las redes de transporte desde el punto de vista del proyecto TUCAN3G, donde se proponen las tecnologı́as anteriormente mencionadas WiLD, WiMAX y VSAT para reducir enormemente el coste de las infraestructuras en este tipo de redes. La propuesta de red de trasporte del proyecto TUCAN3G se basa en una red heterogénea que conecte las femtoceldas con el gateway del operador. Se busca que los enlaces terrestres de larga distancia puedan ser establecidos con las tecnologı́as WiLD y WiMAX y. solamente cuando exista una gran distancia entre la red de acceso y la pasarela del operador, se use la tecnologı́a VSAT. Sin embargo, a diferencia del uso de las tecnologı́as satélite en las redes de transporte clásicas que considera un terminal por cada red de acceso, en el enfoque de TUCAN3G se considera sólo el uso de enlaces satelitales mediante un terminal que de servicio a la red de transporte multi-salto terrestre. 5 CHAPTER 1. INTRODUCCIÓN 6 De esta manera se consideran dos escenarios de red trasporte, los cuales se muestran en la Figura 1.4. El Escenario 1 refleja la situación en la que mediante una cadena de enlaces inalámbricos terrestres se pueden comunicar las femtoceldas con la pasarela del operador. El Escenario 2 refleja la situación en la que el último salto de la red de transporte consiste en un enlace satelital debido a la gran distancia entre las redes de acceso y la pasarela del operador. Figure 1.4: Alternativas de redes de transporte consideradas en el proyecto TUCAN3G 1.3. OBJETIVOS Y PLANIFICACIÓN 1.3.2 Objetivo General El objetivo general de este Trabajo Fin de Máster es estudiar y caracterizar las tecnologı́as WiLD, WiMAX y VSAT para usarlas en redes de backhaul de zonas rurales como alternativa de bajo coste. 1.3.3 Objetivos Especı́ficos Se han propuesto los siguientes objetivos especı́ficos: - Dar una descripción general de las tecnologı́as consideradas a los niveles fı́sicos, de enlace y de red y conocer el estado del arte en su uso en zonas rurales. - Realizar, en los casos que sea posible, simulaciones que se ajusten a los modelos teóricos y obtener resultados acerca del comportamiento de estas tecnologı́as en enlaces de larga distancia. - Realizar, en los casos que sea posible, experimentos tanto en un laboratorio como en redes reales para contrastar y validar el modelo teórico y el simulador. - Hacer un estudio comparativo de las distintas tecnologı́as en función de sus prestaciones y costes, desde el punto de vista de enlaces punto a punto y de redes multi-salto. - Estudiar la viabilidad de estas tecnologı́as en dos redes rurales reales para unos determinados requisitos de tráfico generado por femtoceldas 3G. 1.3.4 Justificación En el caso de los enlaces terrestres, se han considerado WiLD y WiMAX debido a que son tecnologı́as ampliamente extendidas, estandarizadas, de bajo coste debido a su economı́a de escala y que posibilitan la operación en bandas no licenciadas (2.4GHz y 5GHz). Aunque la operación en estas bandas sea generalmente no recomendado debido a las interferencias (e incluso prohibido según la legislación de algunos paı́ses), el contexto del proyecto TUCAN3G en el que la red de transporte está desplegada en zonas de muy baja densidad poblacional, no sólo hace que las interferencias no supongan un gran problema si no que hace que los costes asociados a la reserva del espectro licenciado no existan. Sólo se han considerado tecnologı́as inalámbricas para establecer los enlaces terrestres, debido a la impracticabilidad económica de desplegar redes cableadas u ópticas en zonas 7 CHAPTER 1. INTRODUCCIÓN 8 de alta montaña o de selva a más de 100 kilómetros de distancia de la pasarela. Las alternativas basadas en grandes enlaces en la banda EHF también se han descartado, debido al gran coste asociado que implica desplegar y operar este tipo de redes. Se ha considerado como alternativa las comunicaciones por satélite ya que en muchas zonas rurales aisladas en paı́ses en desarrollo es la única alternativa posible. La elección de VSAT como tecnologı́a satelital es debido a que se trata de una tecnologı́a de acceso fácil y bajo coste, ya que los terminales no suelen sobrepasar los 2 o 3 metros de diámetros y no necesitan apuntamiento dinámico debido a que se usan satélites de órbita GEO (Órbita Geoestacionaria). Adicionalmente, la tecnologı́a VSAT permite adaptar las necesidades especı́ficas según la demanda haciendo más eficiente el acceso a los escasos recursos que generalmente ofrece. Esto contrasta con otras tecnologı́as que pueden dar mejores prestaciones pero que son de mayor coste, como las basadas en la constelación de satélites O3B, que requieren antenas de mayor apertura (de 4 a 7 metros) y apuntamiento dinámico debido a que los satélites se sitúan en órbitas MEO (Órbita Ciruclar Intermedia) [6]. 1.3.5 Planificación Por lo tanto, este documento tratará de analizar las tecnologı́as anteriormente descritas dando una visión detallada acerca de cuáles son los lı́mites y capacidades de cada una. En el Capı́tulo 2 de este documento se abordará el estado del arte de cada una de las tecnologı́as para, posteriormente en los Capı́tulos 3, 4 y 5, caracterizarlos mediante sus modelos teóricos, simulaciones y pruebas experimentales allı́ donde sea posible. Por último, en el capı́tulo 6 se realizará una comparación de todas ellas y en el Capı́tulo 7 se añadirán las consideraciones adicionales para adaptar redes de transporte multi-salto que usen estas tecnologı́as para su uso con femtoceldas 3G. Con el correcto dimensionado de las demandas, las mismas conclusiones son válidas para femtoceldas 4G. 1.4. CONSIDERACIONES PREVIAS 1.4 Consideraciones previas Las redes de transporte tradicionales que generalmente se asumen sobredimensionadas, ahora serán consideradas en términos de sus restricciones. La red de transporte que considera el Proyecto TUCAN3G busca cumplir estrictamente los requisitos de la red de acceso para minimizar los costes. Estos requisitos que debe cumplir la red de transporte, y por tanto las tecnologı́as que la conforman, son distintos para cada tipo de tráfico. En este proyecto se consideran tres tipos de tráfico generados en la red de acceso y entregado a la red de transporte por las femtoceldas: - Voz. Flujos bidireccionales con requisitos altos de calidad de serivicio (QoS) orientados a conexión. - Señalización. Flujos de baja tasa pero con requisitos de alta QoS no orientados a conexión. - Datos. Flujos ”best effort” no orientados a conexión. Por lo tanto, se han de considerar diferentes parámetros para asegurar cada uno de los requisitos de los diferentes tipos de tráfico. Para caracterizar los enlaces se tendrán en cuenta principalmente cuatro parámetros básicos: throughput o caudal (en términos de Kbps o Mbps), latencia o retardo (ms), jitter o variación de latencia (ms) y pérdida de paquetes (% de paquetes perdidos/descartados). Cada uno de estos parámetros serán analizados de la forma que más información proporcionen. Será importante obtener valores de throughput máximo, retardo máximo y porcentaje medio de paquetes perdidos, sin embargo estos valores dependen mucho de la carga de los enlaces, del tipo de paquetes y del tamaño de las colas en los nodos. Por lo tanto otros parámetros serán medidos como throughput máximo cuando el retardo está acotado, el jitter para un determinado nivel de throughput o el retardo para un determinado tamaño de paquete. Estas restricciones serán analizadas de forma general al caracterizar y comparar las tecnologı́as en los Capı́tulos 3, 4, 5 y 6, y serán acotadas y contextualizadas en el Capı́tulo 7 junto con información de los requisitos de la red de acceso. 9 Chapter 2 MARCO TEÓRICO 2.1 Introducción En este capı́tulo se estudiará el estado actual de las tecnologı́as WiLD, WiMAX y VSAT cuando se usan en redes de transporte. Para cada una de ellas, se describirán brevemente los distintos estándares que existen y el funcionamiento básico de la capa fı́sica y de enlace, analizando los estudios previos existentes en cada tecnologı́a aplicados en enlaces de larga distancia y teniendo en cuenta aspectos relevantes como Transmisión Multiantena (Multiple Input Multiple Output, MIMO) y Calidad de Servicio (Quality of Service, QoS). 2.2 2.2.1 Estado del arte de las tecnologı́as WiFi aplicadas en enlaces de larga distancia Descripción de los estandares IEEE 802.11 Los primeros estándares comercializados como WiFi, IEEE 802.11a [7] y IEEE 802.11b [8], [9] , fueron publicados en 1999 y fueron planteados como una tecnologı́a inalámbrica de red local (WLAN). Las principales caracterı́sticas de estos estándares son: - IEEE 802.11a - Banda 5 Ghz, Capa fı́sica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) y con tasas binarias en su mayor modulación de hasta 54 Mbps a nivel fı́sico y de 30Mbps a nivel de enlace. Canales de ancho de banda 5, 10 y 20Mhz. - IEEE 802.11b - Banda 2.4 Ghz, Capa fı́sica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) y con tasas binarias en su mayor modulación de 10 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA hasta 11 Mbps a nivel fı́sico y de 7.5Mbps a nivel de enlace. Canales de 22Mhz. El estándar define dos tipos de nodos: puntos de acceso AP (Access Point) y estaciones STA (Stations). A su vez define dos modos de funcionamiento, infraestructura y ad-hoc. El modo ad-hoc está orientado principalmente a redes malladas inalámbricas y sólo existen nodos STA de igual jerarquı́a donde cada uno de ellos puede comunicarse con otro sin necesidad de un punto de acceso. Por contra, el modo infraestructura contempla nodos AP y STA, donde los AP coordinan y centralizan el tráfico de los nodos STA. Ambos estándares definen un nivel de acceso al medio MAC (Medium Access Control) basado en Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), un mecanismo de control de acceso al medio distribuido en el que cada nodo usa una estrategia basada en transmisión y escucha para minimizar la probabilidad de colisión con otras estaciones. Los mecanismo de retransmisión contemplados para evitar colisiones, Distributed Control Function (DCF), Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) y Hybrid Coordination Function (HCF), son el principal motivo por el que la tasa de nivel de enlace es notablemente inferior a la tasa de nivel fı́sico. Cabe destacar que existen propuestas en el estándar de otras capas fı́sicas como Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) y Infrared (IR) y otros modelos de acceso al medio como Point Coordination Function (PCF), sin embargo ninguno de ellos ha sido implementado en la actualidad y no hay mucha esperanza de que lo sean en un futuro, por lo tanto no serán considerados. Con el éxito de 802.11a y 802.11b, se extendió el estándar con la versión IEEE 802.11g[10], la cual simplemente portó las capas fı́sicas de 802.11a a la banda de 2.4 GHz. De esta manera se extendieron las ventajas de OFDM a dicha banda, pero manteniendo las compatibilidades con las anteriores versiones a y b. En el año 2005 se introdujo soporte para calidad de servicio mediante el estándar IEEE 802.11e, el cual definı́a EDCA y HCF Controlled Channel Access (HCCA) como nuevos modelos de acceso al medio. Mientras que EDCA es el mecanismo DCF extendido para diferenciación de tráfico, HCCA es un mecanismo nuevo basado en HCF que extiende el obsoleto PCF. En 2010 se publicó IEEE 802.11n, el cual implementa en una nueva capa fı́sica PHY HT que exitende de OFDM, mecanismos de beamforming y MIMO,tanto de STBC (Space Time Block Coding) como de multiplexación espacial, ası́ como define anchos de canal más grandes de hasta 40 Mhz e intervalos de guarda de OFDM más cortos. Teóricamente y bajo condiciones óptimas ofrecerı́a una tasa máxima a nivel fı́sico de hasta 600 Mbps. Finalmente, en 2012 se recogieron y revisaron todos los estándares [11], incluyendo algunas enmiendas como 802.11i (seguridad), 802.11p (comunicaciones vehiculares) y 802.11s (comunicaciones ad-hoc). 11 12 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO En enero de 2014 se publicó una mejora del estándar 802.11ac, clave en las presentas y futuras tecnologı́as 4G y 5G, la cual mejora las tasas binarias a nivel fı́sico hasta 1 Gbps mediante el uso de canales de 160 MHz, 8 flujos MIMO y modulaciones de alta densidad (hasta 256-QAM). 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA 2.2.2 13 Capa fı́sica de IEEE 802.11 Aunque existen varias capas fı́sicas definidas todavı́a en la versión del estándar de 2012[11], sólo tres tipos están disponibles como productos reales en el mercado actualmente: - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Definida para 802.11b y 802.11g en modo de compatibilidad en la banda de 2.4 GHz. Las tasas binarias definidas son 1,2,5.5 y 11 Mbps. - Orthongonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Definida para 802.11a en la banda de 5 GHz y 802.11g en modo de compatibilidad en la banda de 2.4 GHz. Las tasas binarias de nivel fı́sico definidas son 6, 9, 12, 18,24,36,48 y 54 Mbps. - HT PHY. Se trata de una versión extendida de OFDM para 802.11n tanto para la banda de 2.4 GHz como la de 5 GHz. Las tasas binarias son nombradas con MCS0-MCS31, donde se extienden las tasas binarias de OFDM con anchos de canal más grandes, técnicas MIMO e intervalos de guarda más pequeños. Los canales definidos para las bandas de 2.4 GHz y 5 GHz según los dominios regulatorios actuales se muestran en la Tabla 2.1. Dominio USA (FCC) / Canadá (IC) Europe (ETSI) Japan (MIC) Dominio USA (FCC) / Canadá (IC) Europe (ETSI) Japan (MIC) Canales para 2.4 GHz 1 - 11 (2.412-2.462 GHz) 1 - 13 (2.412-2.472 GHz) 1 - 13 (2.412-2.462 GHz) y 14 (2.484 GHz) Canales para 5 GHz 36, 40, 44, 48 (5.180, 5.200, 5.220 y 5.240 GHz) 52, 56, 60, 64 (5.260, 5.280, 5.300 y 5.320 GHz) 149, 153, 157, 161, 165 (5.745, 5.765, 5.785, 5.805 y 5.825 GHz) 100, 104, 108, 112, 116, 120, 124, 128, 132, 136, 140 (5.500, 5.520, 5.540, 5.560, 5.580, 5.600, 5.620, 5.640, 5.660, 5.680 y 5.700 GHz) 8, 12, 16 (5.040, 5.060 y 5.080 GHz) 36, 40, 44, 48 (5.180, 5.200, 5.220 y 5.240 GHz) Tabla 2.1: Parámetros PHY y MAC para DSSS en IEEE 802.11b CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 14 DSSS DSSS, también llamado Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), es una técnica CDMA que permite comunicar múltiples transmisores simultáneamente en el mismo canal de comunicaciones. Debido a que el uso compartido de una misma frecuencia por distintos equipos crea interferencias esta técnica usa técnicas de espectro ensanchado y esquemas de codificación especiales. Figure 2.1: Densidad espectral de potencia en DSSS Existen dos enfoques para implementar la técnica de espectro ensanchado DSSS y FHSS. Mientras que en FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) o también llamado Frequency Hopping CDMA (FH-CDMA) el espectro es dividido en múltiples canales los cuales se van usando en un orden concreto para enviar la señal, en DSSS el espectro de la señal es ensanchado deliberadamente usando una ancho de banda mucho más grande que el original y consecuentemente la densidad espectral es reducido. En la Figura 2.1 se muestra el ensanchado del espectro de una señal de banda estrecha con ancho de banda Bs (verde) dando lugar a una señal con un ancho de banda Bc mucho mayor (rojo) que se sitúa casi a nivel del suelo de ruido. Este proceso se consigue modulando la señal de banda estrecha con una señal de frecuencia mucho más alta conocida como Chipping Code. Esta señal es una secuencia de pseudo ruido (PN) ortogonal con propiedades especı́ficas de autocorrelación, las cuales permiten al receptor decodificar perfectamente la señal original independientemente del elevado nivel de interferencias multiusuario o de ruido. Una de las propiedades que permite esto es la Cyclic Shift Property, la cual define que la autocorrelación de cualquier desplazamiento circular de la secuencia es siempre constante excepto cuando el desplazamiento es cero. Dado que cada receptor conoce su secuencia basta simplemente con desplazar y autocorrelar la señal con 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA la secuencia hasta que la autocorrelación sea 1 para que cada receptor distinga la señal deseada de la señal combinada. Las secuencias PN pueden ser fácilmente generadas con LSRFs (Linear Feedbak Shift Registers) para distintas longitudes. La longitud de las secuencias PN no sólo establecen en número de los códigos ortogonales pseudoaleatorios y por lo tanto el número de usuarios, sino también el valor de autocorrelación de las señales lo que hace variar el nivel de interferencia multiusuario en cada receptor. Códigos largos asegurarán comunicaciones más robustas y estables contra ruido e interferencias multiusuario pero sobrecargarán más el canal con información redundante y por tanto disminuirán su eficiencia. Como consecuencia directa de este proceso de ensanchado, la energı́a de la señal de banda estrecha es reducida y repartida por el espectro ensanchado llegando a equipararse al suelo de ruido. El factor de reducción entre la señal original y la ensanchada se llama ganancia de procesamiento y sus valores tı́picos en DSSS van desde 10dB hasta 60dB. Algunas de las principales caracterı́sticas de DSSS son: - Debido a las propiedades de autocorrelación, DSSS poseen una gran protección contra usuarios indeseados (Jammers) que transmiten con alta potencia para bloquear el canal de comunicaciones, ya que la potencia y por lo tanto la interferencia será reducida significativamente y ecualizada entre todos los usuarios. Además las comunicaciones son difı́cilmente interceptables por usuarios no autorizados debido a la similitud de la señal con el ruido. - Gracias a esta protección ante las interferencias multiusuario, un esquema de reutilización de frecuencias más ajustado puede ser realizado y por lo tanto se puede soportar una mayor cantidad de usuarios. - Las técnicas de autocorrelación permiten establecer un Rake Receiver Channel, el cual explota la diversidad espacial a través de una combinación coherente de las componentes multitrayecto, suprimiendo las componentes no deseadas y extrayendo las componentes no destructivas. Aunque los sistemas DSSS son algo más caros y consumen más potencia que los basados en FHSS, generalmente los basados en DSSS ofrecen mayores tasas binarias, son más robustos y la respuesta a interferencias es mejor, ya que los procesos de autocorrelación permiten recuperar muchos errores en la secuencia PN sin por ello causar errores de bit en la secuencia original. Es por este motivo por lo que DSSS es el enfoque CDMA más extendido en la actualidad y por lo que ha sido el único implementado 15 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 16 en el estándar IEEE 802.11b (y IEEE 802.11g por compatibilidad). IEEE 802.11b define para DSSS 4 tasas binarias: 1Mbps, 2Mbps, 5.5Mbps y 11Mbps. Cabe destacar que la tasa binaria máxima de 11Mbps usa una versión ligeramente modificada de DSSS llamada High Rate DSSS. Algunos parámetros interesantes de la capa PHY y MAC de DSSS-HR/DSSS definidos para IEEE 802.11b se muestran en la Tabla 2.2: Parámetro Slot Time SIFS Tamaño Ventana de Contención Preámbulo Cabecera PLCP Max Tamaño Trama Bitrates Min Sensibilidad Receptor Rechazo Canal Adyacente DSSS 20 μs 10 μs 31-1023 slots 144 μs 48 μs 4095 bytes 1, 2 y 5.5 Mbps -80 dBm 35dB HR/DSSS 20 μs 10 μs 31-1023 slots 144 μs 48 μs 4095 bytes 11 Mbps -76 dBm 35dB Tabla 2.2: Parámetros PHY y MAC para DSSS en IEEE 802.11b En DSSS la banda útil empieza en el canal 2.412GHz, siendo los canales de 5MHz.Debido a que con el ensanchamiento se alcanzan los 22MHz de ancho de banda, se filtra el lóbulo principal y los secundarios a -30dB y -50dB respectivamente para evitar interferencias con los canales más cercanos. Por último cabe comentar que DSSS es ampliamente usado por otras tecnologı́as además de IEEE 802.11b. Tecnologı́as fundamentales en comunicaciones móviles como GSM y UMTS, sistemas de posicionamiento satelital como GPS, Galileo y GLONASSS y sistemas de comunicación WPAN como las basadas en IEEE 802.15.4 hacen uso de DSSS. OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing es una técnica de modulación multi-portadora desarrollada en los años 60 cuyo uso está ampliamente extendido entre los sistemas de comunicación de alta tasa binaria, entre ellos IEEE 802.11a/g/n. El concepto de modulación multi-portadora consiste en dividir el canal inalámbrico en un determinado numero de sub-canales los cuales son modulados para transmitir una parte de la señal total. Este tipo de modulaciones surgen para evitar la aparición de la interferencia entre sı́mbolos (ISI) cuando elevamos la tasa binaria de un canal. Para canales de banda ancha que ofrecen alta velocidad binaria, el tiempo de sı́mbolo Ts de la modulación es generalmente mucho más pequeño que el 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA retardo de propagación τ . Sin embargo, si queremos un canal libre de ISI, Ts tiene que ser significativamente mayor que τ . Para solucionar este problema, las modulaciones multi-portadora proponen dividir el flujo binario de alta velocidad en un número L de sub-flujos binarios de menor velocidad, los cuales cumplen Ts >> τ . Estos sub-flujos son enviados paralelamente sobre L sub-canales ortogonales, manteniendo la tasa original extremo a extremo. El número de de sub-flujos se elige de forma que el ancho de banda de cada sub-canal experimente un efecto de desvanecimiento o fading relativamente uniforme. Esto se logra haciendo que el ancho de banda coherente Bc del canal sea mucho mayor que el ancho de banda del sub-canal, B/L << Bc . A diferencia de otras técnicas de multiplexación por división en frecuencia, OFDM hace un uso muy eficiente del espectro ya que debido a la ortogonalidad de sus sub-portadoras, no es necesario dejar espacios de guarda en el espectro para separarlas. Esta ortogonalidad ente las portadoras implica que el espectro de cada una es una función sinc cuyo pasos por cero son cada fo . Esto esta ilustrado más detalladamente en la Figura 2.2 [1]. Debido a que cada sub-portadora esta equiespaciada por fo no hay interferencia entre ellas aún estando sus espectros solapados. De esta manera la potencia espectral total tiene una forma casi rectangular, logrando un uso del espectro eficiente. Figure 2.2: Ejemplo de espectro de OFDM 17 18 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO Para implementar esta modulación, OFDM usa la FFT (Fast Fourier Transform), que es una implementación muy eficiente de la transformada discreta de fourier DFT (Discrete Fourier Transform). El uso de la FFT hace que modular señales discretas con unas portadoras discretas especı́ficas sea un proceso trivial. De esta manera se pueden modular con la FFT inversa (IFFT) y demodular con la FFT una gran cantidad de sub-portadoras ortogonales usando un solo transceptor. Aparte de la división del ancho de banda en sub-canales OFDM incorpora otras técnicas como el uso de un prefijo cı́clico CP (Cyclic Prefix) e intervalos de guarda GI (Guard Interval) para crear en la práctica un canal libre de interferencias. OFDM agrupa un número L de sı́mbolos de datos en un bloque llamado sı́mbolo OFDM. Este sı́mbolo OFDM permanece independiente de los demás a través del canal inalámbrico debido a la inserción de un intervalo de guarda GI entre cada sı́mbolo y por lo tanto no hay interferencia entre sı́mbolos OFDM. Sin embargo, debido a que durante este GI con una duración de una fracción del tiempo de sı́mbolo OFDM el canal está vacı́o, la presencia del retardo de propagación puede desortogonalizar las portadoras. Para evitar esta desortogonalización, el GI es rellenado con el prefijo cı́clico CP del sı́mbolo haciendo que, de cara al receptor, el canal inalámbrico realice una convolución circular. Esto sucede debido a que cuando se trabaja con la FFT, cuando un flujo de datos discretos son enviados a través de un canal FIR de tiempo invariante (Finite Impulse Response), la salida es una convolución circular de la entrada. Este proceso, ilustrado en la Figura 2.3 [1], se consigue siempre que el retardo de propagación sea menor que el GI. Figure 2.3: Esquema de funcionamiento del Prefijo Cı́clico en OFDM IEEE 802.11a fue el primer estándar de la familia en usar OFDM como capa fı́sica. En el estándar están definidos canales de 20 Mhz, 10 MHz y 5 MHz en la banda de 5 GHz, donde cada canal tiene 52 portadoras. A su vez, las tasas binarias a nivel fı́sico que se definen en el estándar son: 6 Mbps, 9 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36 Mbps, 48 Mbps and 54 Mbps. Sus detalles de codificación y modulación están definidos en la Tabla 2.3. Bitrate 6 Mbps 9 Mbps 12 Mbps 18 Mbps 24 Mbps 36 Mbps 48 Mbps 54 Mbps Modulación BPSK BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM Code Rate 1/2 3/4 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 Bits por portadora 1 1 2 2 4 4 6 6 Bits por sı́mbolo 48 48 96 96 192 192 288 288 Tabla 2.3: Parámetros PHY de codificación y modulación en IEEE 802.11a En 2003 se estandarizó IEEE 802.11g, el cual agregaba IEEE 802.11a y IEEE 802.11b pero aplicándolos en la banda de 2.4 GHz. De esta manera IEEE 802.11g planteaba las ventajas de que tenı́a 802.11a con su capa fı́sica basada en OFDM pero en la banda de 2.4 GHz, una banda mucho más popular en aquella época. Ası́ pues, 8 nuevas tasas binarias fueron definidas con el nombre de ERP (Extended Rate PHY). Por lo tanto, 802.11g ofrece en total 12 tasas: 1Mbps, 2Mbps, 5.5Mbps y 11Mbps de DSSS and 6 Mbps, 9 Mbps, 12 Mbps, 18 Mbps, 24 Mbps, 36 Mbps, 48 Mbps y 54 Mbps de ERP-OFDM. Todas ellas funcionando en los canales de la banda de 2.4 GHz definidos en la Tabla 2.1. Esta capa fı́sica ERP de 802.11g es idéntica a la de 802.11a, pero trabajando en diferente frecuencia. Para asegurar la compatibilidad con 802.11b en la nueva banda de frecuencia, se han introducido algunos cambios en la capa MAC. Para ilustrar estas diferencias en la Tabla 2.4 se muestran algunos de los parámetros PHY y MAC de ambos estándares. Parámetro Slot Time SIFS Tamaño Ventana de Contención Preámbulo Cabecera PLCP Max Tamaño Trama Bitrates GI 802.11a 9 μs 16 μs 31-1023 slots 16 μs 4 μs 4095 bytes 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps 0.8 μs 802.11g 20 o 9 μs 10 μs 31-1023 slots 20 μs 4 μs 4095 bytes 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps 0.8 μs Tabla 2.4: Parámetros PHY y MAC para OFDM en IEEE 802.11a y 802.11g 19 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 20 OFDM también ha sido ampliamente usado en numerosos sistemas de comunicaciones como lı́neas xDSL, IEEE 802.16 (WiMAX), Retransmisión de Video Digital (DVB) o sistemas celulares LTE de 4G. HT 802.11n Aunque en el 2009 se publicó por primera vez el estándar IEEE 802.11n, fue en 2012 cuando se revisó y modificó 802.11n con nueva versión HT (High Throughput) de OFDM manteniendo la compatibilidad con las versiones anteriores 802.11 a/b/g. IEEE 802.11n consiste en un refinamiento de los estándares anteriores tanto en la capa PHY como en la capa MAC. Algunos de los cambios más importantes de la nueva capa HT-PHY con respecto a las anteriores son: - Posibilidad de usar canales de 40 MHz (con 114 portadoras OFDM). Además para canales de 20 MHz el número de portadoras aumenta a 56. - Posibilidad de usar un GI más corto de 400 ns. - Posibilidad de usar conformación de haz o beamforming. - Posibilidad de usar codificación LDPC (Low Density Parity Check). - Posibilidad de usar MIMO hasta 4 flujos, con igual o distinta modulación (EQM o UEQM) para ganar multiplexación espacial. - Posibilidad de usar STBC (Space Time Block Coding) para ganar diversidad en transmisión/recepción. - Posibilidad de Agregación de tramas y de ACK de bloque(BlockAck) Uno de los grandes avances que introdujo 802.11n fue el uso de técnicas MIMO. La forma de obtener un mayor número de flujos espaciales es aumentar el número de antenas tanto en el receptor como en el transmisor o usar antenas que puedan trabajar en dos distintas polarizaciones ortogonales. Según las preferencias del enlace y las capacidades de los equipos pueden usarse distintas configuraciones para hacer uso de MIMO: - Ganancia de array. Se trata de aumentar la SNR gracias a la combinación coherente de las señales recibidas en el receptor mediante procesos de procesamiento espacial en las antenas receptoras o preprocesamiento espacial en las antenas transmisoras. Este filtrado espacial o beamforming se traduce en mejoras de cobertura y alcance mediante el aumento de la resistencia ante el ruido. Las técnicas 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA de beamforming no incrementan la tasa binaria del enlace si no que mejoran la SNR. Son tı́picamente usadas cuando existen escenarios complejos, elementos interferentes, mala LOS (Line of sight) o desapuntamientos de antena. - Ganancia de diversidad espacial. Se pueden aplicar técnicas de diversidad en transmisión y recepción de forma que cada flujo espacial envı́e la misma información de forma redundante (e idealmente independiente) para obtener una mejor protección contra el fading y por lo tanto mejorando la calidad y fiabilidad en la recepción. Un canal MIMO con MT antenas transmisoras y MR antenas receptoras ofrecerá una diversidad espacial de MT × MR , o lo que es lo mismo, MT × MR enlaces con fading independientes. - Ganancia de multiplexación espacial. Esto significa que cada flujo espacial envı́a información distinta por cada antena de modo que la tasa extremo a extremo aumente, en el caso de 4 flujos espaciales, hasta 4 veces la velocidad original de un enlace SISO. El número de flujos de datos soportados por un canal MIMO está determinado por min(MT , MR ) - Reducción de interferencia. La interferencia puede ser reducida o mitigada en un enlace MIMO cuando se explota la dimensión espacial para aumentar la distancia de separación entre usuarios. Por ejemplo, con la ganancia de array y con técnicas de beamforming es posible mejorar la SINR debido a que la energı́a de la señal radiada puede ser orientada a determinados usuarios y por lo tanto reduciendo la interferencia aportada por los usuarios no deseados. Generalmente todos los beneficios de MIMO no se pueden explotar simultáneamente, habiendo cierto conflicto en los distintos grados espaciales de libertad. Dos de las métricas usadas en este trade-off entre cantidad y calidad son la tasa de transmisión y la tasa de error trama FER(Frame Error Rate). Existen muchos estudios acerca de este trade-off [13], [14], [15] los cuales lo modelan mediante optimización y linearización por partes para distintas ganancias de diversidad o de multiplexación. Para poder hacer uso de las ventajas de MIMO es necesario conocer el estado del canal. Para conocer el estado del canal inalámbrico se usan dos técnicas: Implicit feedback, la cual consiste en ir estimando el canal con los sı́mbolos de datos transmitidos y Explicit feedback que consiste en realizar una estimación directa del canal enviando sı́mbolos de entrenamiento especı́ficos. Con la introducción de las técnicas MIMO se redefinieron las tasas binarias y renombraron con MCSs (Modulation and Codification Scheme). Existen hasta 127 MCSs, sin embargo, sólo los MCS del 0 al 76 están 21 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 22 disponibles en la actualidad en este estándar. En la Tabla 2.5 se muestran los MCSs del 0 al 15, correspondientes 1 y 2 flujos espaciales para canales de 20 Mhz y 40Mhz. El resto de MCSs corresponden a los enlaces con 3 y 4 flujos espaciales. MCS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Número Flujos espaciales 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 Modulación Code Rate BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 1/2 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 5/6 1/2 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 5/6 Tasa binaria 20 MHz 40 MHz 800 ns 400 ns 800 ns 400 ns 6.5 7.2 13.5 15.0 13.0 14.4 27.0 30.0 19.5 21.7 40.5 45.0 26.0 28.9 54.0 60.0 39.0 43.3 81.0 90.0 52.0 57.8 108.0 120.0 58.5 65.0 121.0 135.0 65.0 72.2 135.0 150.0 13.0 14.4 27.0 30.0 26.0 28.9 54.0 60.0 39.0 43.3 81.0 90.0 52.0 57.8 108.0 120.0 78.0 87.7 162.0 180.0 104.0 115.6 216.0 240.0 117.0 130.0 243.0 270.0 130.0 144.4 270.0 300.0 Tabla 2.5: Lista de MCSs disponibles para IEEE 802.11n con 1 y 2 flujos espaciales 802.11n introduce MIMO en las técnicas de adaptación del enlace. De esta manera según el estado del enlace el MCS elegido en cada momento varı́a adaptando el configuración MIMO, la tasa de codificación y la modulación. Se han definido 3 modos de adaptación del enlace: - Inmediato: El elemento que solicita un MCS Feedback (MFB), información que le permite realizar la adaptación, lo recibe en el mismo instante que se le ha asignado para transmitir datos, es decir, en el mismo TXOP (Transmission opportunity). - Retardado: El MFB es enviado posteriormente a la recepción de un MRQ (MCS Request) y por lo tanto en un TXOP distinto - No solicitado: Las estaciones mandan MFBs independientemente de que se hayan solicitado con un MRQ. 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA Con respecto a los parámetros MAC también nuevas modificaciones han sido añadidas para soportar la nueva capa PHY. Los nuevos valores para distintos parámetros equivalentes a los anteriores estándares se reflejan en la Tabla 2.6. Cabe destacar que ahora se añade un nuevo parámetro RIFS (Reduced Interframe Space) que puede sustituir a Short Interframe Space (SIFS) en algunos escenarios y que con la agregación de tramas una PSDU (equivalente a una MPDU) el valor máximo de trama se calcula para la trama agregada. Éstas técnicas, junto con el ACK de bloque, aumentan sustancialmente la eficiencia del canal. Parámetro Slot Time SIFS RIFS Tamaño Ventana de Contención Preámbulo Cabecera PLCP Max Tamaño Trama (PSDU) hline Bitrates GI 802.11n 9 o 20 μs 10 o 16 μs 2 μs 31-1023 slots 16 o 20 μs 4 μs 65535 bytes MCS0-MCS76 0.8 μs o 0.4 μs Tabla 2.6: Parámetros PHY y MAC para OFDM en IEEE 802.11n Con todo esto, la nueva configuración HT PHY-MAC de 802.11n puede alcanzar velocidades a nivel fı́sco de hasta 600 Mbps en el mejor de los casos(mayor modulación, canal de 40MHz, MIMO 4x4, short GI, agregación de tramas y ACK de bloque) VHT 802.11ac Por último, recientemente en 2014 se ha aprobado el estándar IEEE 802.11ac que implementa una nueva capa PHY llamada VHT 802.11ac (Very High Throughput), la cual supone mejoras a la capa PHY de HT 802.11n en la banda de 5 GHz. Las principales novedades de este estándar son: - Canales de 80 y 160 MHz no necesariamente contiguos. - MIMO de hasta 8x8 flujos espaciales - MIMO Multiusuario (MU-MIMO) para el downlink. STAs que transmiten por una antena y reciben por múltiple antenas. - Nuevas modulaciones de hasta 256-QAM con codificaciones de 3/4 y 5/6. 23 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 24 Adicionalmente se han añadido pequeños cambios en la capa MAC (como por ejemplo nuevos campos para diferenciar las cabeceras HT de las VHT) para soportar los cambios de la capa PHY de VHT 802.11ac. Con estos cambios en la capa fı́sica y MAC se esperan velocidades de hasta 6.77 Gbps en el mejor de los casos, dependiendo de las configuraciones MIMO y anchos de banda de canal elegidos. Para un simple enlace SISO se definen velocidades fı́sicas de por lo menos 433 Mbps para canales de 80 Mhz. Por último cabe destacar que nuevos estándares de la familia están siendo desarrollados, como IEEE 802.11ad, el cual trabajan en la banda de los 60 GHz y se espera que tome el relevo a 802.11ac en las redes de comunicaciones 5G. 2.2.3 Capa MAC IEEE 802.11 Para conocer la capacidad real de los enlaces WLAN es de vital importancia especificar el tipo de capa MAC que se está usando ya que pueden existir grandes diferencias entre el throughput obtenido a nivel IP de dos enlaces con la misma capa PHY pero distinta capa MAC. El acceso al medio es un aspecto muy relevante en 802.11 debido a al problema que aparece cuando el número de usuarios crece en una red, sobre todo cuando se trabaja en modo infraestructura. De no existir una correcta coordinación entre nodos STA y AP (si los hubiera) la eficiencia de la red serı́a mı́nima. Tradicionalmente han existido 4 métodos de control de acceso al medio en el nivel MAC:1 - TDMA (Time Division Multiplex Access). Se trata de la forma más sencilla pero también menos eficiente de acceso al medio, en la cual existe un nodo coordinador y un canal dividido en time-slots de tamaño fijo que son asignados a los usuarios por el nodo coordinador. Se trata de un método sı́ncrono sencillo de implementar ya que sobrecarga poco el canal e introduce poca latencia. Sin embargo no es muy flexible haciendo que no sea la solución óptima para tráfico bursty(a ráfagas), ya que en el momento que un usuario no ocupa su ancho de banda asignado, la eficiencia en el uso del canal disminuye. El hecho de que necesite un nodo AP coordinador hace que sólo sea válido para tecnologı́as en modo infraestructura. Sin embargo, debido a la constante sincronización existente de los time-slots, hace que sea una tecnologı́a donde la distancia de los enlaces apenas influye en el rendimiento. Esto y la posibilidad de asegurar QoS de una 1 En realidad también existen las implementaciones basadas en tokens, como Token Bus o Token Ring, pero ninguna ha sido implementada en enlaces inalámbricos. Cabe destacar que, aunque existen otros mecanismos de acceso al medio (OFDMA, CDMA, SDMA), el control de éste se realiza siempre a nivel MAC mediante estos 4 métodos. 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA forma determinista la ha convertido en una técnica muy popular en la actualidad. - CSMA/CA. Se trata de un mecanismo ası́ncrono distribuido basado en ventanas de contención y en la escucha del canal para saber cuando un nodo ha de transmitir y cuando ha de esperar. Es un método derivado de Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) implementado ampliamente en las redes ethernet, el cual en lugar de detectar las colisiones, las evita. Este cambio es debido a que en un enlace cableado el transceptor tiene la capacidad de escuchar mientras transmite (las comunicaciones son dúplex casi siempre), mientras que en un enlace inalámbrico no. Además, CSMA/CA introduce una componente estadı́stica lo que hace que ofrezca un servicio best effort, por lo que no se garantizan anchos de banda mı́nimos ni retardos máximos. Sin embargo, CSMA/CA funciona bien cuando el número de usuarios aumenta manteniendo una alta eficiencia en el uso del canal. También tiene la ventaja de que, al ser distribuido, es adecuado para tecnologı́as que soporten el modo ad-hoc. Pero por el contrario, a diferencia de TDMA, la distancia afecta muy negativamente este tipo de tecnologı́as ya que, por la necesidad de que todos los nodos han de escucharse para coordinarse, es necesario aumentar la duración de los SlotTimes para compensar el retardo de propagación. Esto se traduce a que para grandes distancias el rendimiento puede caer por debajo del 20% del rendimiento original a corta distancia. - Polling MAC. Es un método hı́brido que contiene partes de TDMA y CSMA/CA. Existe un nodo coordinador que indica cuando deben comenzar las transmisiones en cada nodo a través de un paquete poll. Los equipos que deseen transmitir serán informados por este paquete cuando deben empezar y terminar de transmitir. Debido a que las tramas no son de tamaño fijo, este mecanismo es más eficiente que TDMA. Polling MAC puede ser implementado orientado a la conexión, cuando se usa un protocolo de reserva de slots a través de paquetes request/response, o no orientado a la conexión, cuando el AP pregunta constantemente a los nodos si tienen algo que enviar. Por lo tanto, es más eficiente y flexible que un sistema TDMA puro, pero sigue teniendo la desventaja de que no es válido para modos ad-hoc. - Dedicado. El nivel MAC tiene a su disposición el 100% del tiempo de transmisión por lo que no existe un protocolo especı́fico de control de acceso al medio. Esto método está implı́cito cuando el canal fı́sico no se comparte (ej: SCPC o SDMA) o cuando el canal fı́sico asigna a cada usuario un código o frecuencia ortogonal distinta (ej: CDMA o FDMA). 25 26 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO Dentro de las tecnologı́as WiFi existen distintas implementaciones de la capa MAC. Los estándares IEEE 802.11 a/b/g/n/ac usan CSMA/CA sin embargo existen otras tecnologı́as no estandarizadas como AirMAX y NV2 que aunque usan la capa PHY de IEEE 802.11, poseen implementaciones privadas de la capa MAC basadas en TDMA y Polling MAC. Aunque estas tecnologı́as no están estandarizadas, usan el hardware y la capa fı́sica de IEEE 802.11 por lo que se ha decidido incluirlas como tecnologı́as WiFi. Capa MAC de los estándares IEEE 802.11 a/b/g/n/ac Como se ha mencionado en el Capı́tulo 2.2.1, de las distintas soluciones para la capa MAC que se propusieron para los estándares WLAN, sólo los basados en CSMA/CA se usan actualmente. En la familia de estándares están definidos dos métodos de acceso al medio de tipo Polling MAC donde el AP controla el acceso al canal del resto de las STA, siendo PCF la primera versión y HCCA una versión mejorada con soporte para QoS. Sin embargo no han llegado a implementarse en equipos comerciales por lo que su uso es prácticamente nulo. Por lo tanto sólo se contemplan dos tipos de capas MAC basadas en CSMA/CA. Ambos definen comúnmente los siguientes parámetros, los cuales varı́an según la capa fı́sica del estándar: - SlotTime τ . Todo el proceso de contienda se divide en espacios de tiempo iguales llamados SlotTime de una duración fija. - Ventana de Contención (CW). Se trata de una ventana virtual de tamaño variable compuesta por n SlotTimes, la cual evita la saturación del canal cuando existen colisiones. El tamaño de la ventana en SlotTimes y por lo tanto, el tiempo que un nodo ha de esperar para transmitir, se define aleatoriamente, crece exponencialmente hasta 1023 TimeSlots con las colisiones, y decrece linealmente hasta 0, cuando el nodo tiene el permiso de transmitir. Si se detecta actividad en el canal el decremento de la ventana de contención se detiene. - SIFS (Short Inter Frame Space). Es el tiempo establecido entre la correcta recepción de una trama y inicio del envı́o de su correspondiente ACK. Como se ha comentado en el Capı́tulo 2.2.2, SIFS puede ser sustituido por RIFS. Esto solamente sucede en el caso de que se use el mecanismo de Agregación de tramas. - DIFS (Distributed Inter Frame Space). Es el tiempo que un nodo ha detectar que el el canal está libre. Si durante este tiempo el nodo no ha detectado actividad puede comenzar a transmitir o reactivar la cuenta atrás de su ventana de contención si está en estado de espera. El valor de esta constante es DIF S = 2 × SlotT ime + SIF S. 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA - EIFS (Extended Inter Frame Space). En el caso de que exista un error en la transmisión en la cual se ha detectado una colisión, en lugar de esperar un tiempo DIFS, los nodos han de detectar el canal libre durante un tiempo EIFS para poder transmitir o reactivar su cuenta atrás. A partir de estos conceptos básicos relativos a CSMA/CA, las caracterı́sticas que definen a DCF y EDCA son: - DCF (Distributed Coordinated Function).En DFC se consideran todos los nodos de igual manera, ya sean AP o STA. Cuando un nodo quiere transmitir tiene que realizar una escucha en el canal y comprobar que está libre durante un tiempo DIFS. Posteriormente ha de esperar un número aleatorio de TimeSlots, por medio de una cuenta atrás hasta poder transmitir, deteniéndola cuando detecta actividad en el canal y reactivándola tras haber esperado un tiempo DIFS o EIFS según haya detectado colisión o transmisión. Una vez que el nodo tiene permiso para transmitir envı́a la trama y espera un tiempo ACKTimeout para recibir el ACK. Se considera correcta la transmisión cuando se recibe el ACK de una trama dentro de su ACKTimeout. Si no, se retransmite siguiendo el mismo proceso como si de un envı́o normal se tratase. Si se alcanzan el número máximo de retransmisiones la trama se da por perdida y se continúa con el envı́o de otras tramas pendientes. Mecanismos de retransmisión de errores como ARQ o la ventana de congestión de TCP o de corrección de errores como CRC de las capas superiores se encargarán de gestionar esta trama perdida a nivel MAC. Este mecanismo de acceso el medio está modelado con una cadena de Markov propuesta por Giuseppe Bianchi [16],[17]. Este modelo refleja de manera muy fiel el funcionamiento de DCF, aunque asume ciertas simplificaciones, como un número limitado de retransmisiones, probabilidad de transmisión y probabilidad condicional de colisión constante, situación de saturación y visibilidad completa entre nodos. Otros autores [20] [19] han extendido algunas de las asunciones iniciales y por lo que un nuevo modelo ya mejorado fue publicado en 2010 [18]. Se puede encontrar información más detallada sobre el funcionamiento de DFC en el estándar [11] y en [16], [17] y [18]. - EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). Este mecanismo se basa en ofrecer QoS a través de la diferenciación de tráfico. Este trato priorizado de la clases de tráfico se realiza a través de su clasificación de ACs (Access Categories), las cuales tienen sus parámetros ajustados para ofrecer mayor o menor prioridad a las AC, pero siempre asegurando que no se den situaciones de inanición en 27 28 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO ningún caso Los parámetros que influyen en la prioridad de una clase de tráfico son: - AIF SNi (Arbitrary Inter-Frame Space). Se trata del equivalente a DIFS en DCF pero ahora distinto para cada ACi . Se define como AIF Si = SIF S + AIF SNi × SlotT ime, donde AIF SNi es el número de TimeSlots que ha de esperar cada tipo de tráfico ACi . - CWi . Ahora el tamaño de la ventana de contención varı́a según el tipo de tráfico ACi . - T XOPi (Transmission Opportunty). Determina cuanto puede un nodo retener el canal una vez que le ha llegado el momento de transmitir. De esta manera, EDCA funciona de manera similar a DCF, pero sustituyendo DIFS por AIF Si y haciendo que los tamaños de ventana sean distintos en cada clase de tráfico ACi . Debido a que en cada nodo existen 4 tipos de clases de tráfico independientes, si dos AC intentan transmitir simultáneamente existe un mecanismo interno para permitir que sea la AC con más prioridad la que realice la transmisión, y que a la AC con menos prioridad le sea notificada una colisión. Otra mecanismo que hace más eficiente EDCA es la posibilidad de ocupar el canal para envı́ar seguidamente varias tramas. Esto se gestiona mediante uso de T XOPi e indica cuanto una clase puede ocupar seguidamente el canal. Generalmente este mecanismo se usa en conjunto con el de Block-ACK, de modo que sea posible envı́ar multitud de tramas sin necesitar un ACK por cada una, sino un ACK de bloque que confirme todas. Este mecanismo se activa mediante el envı́o de un BAR (Block ACK Request) al final de la transmisión de las tramas. Cuando se combinan estas técnicas con la Agregación de tramas, aumenta la eficiencia del enlace y se da mayor ventaja las clases de tráfico más prioritarias, haciendo que desde el punto de vista de la capa fı́sica, varias tramas sean vistas como una sola gracias la creación de una PSDU de tamaño máximo 65535 bytes, maximizando los efectos del Block ACK y T XOPi . Al igual que con DCF, existen modelos analı́ticos que reflejan fielmente el funcionamiento de EDCA para casos ideales [21], [22] y para casos más realistas con canales con errores o situaciones de nosaturación [23], [24] Por último es necesario destacar que ambos métodos de acceso al canal contemplan la posibilidad del uso de un mecanismo de detección de nodos ocultos llamado RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) el cual permite que un nodo origen se asegure de que el nodo destino no está recibiendo datos de otro nodo no detectado por el nodo origen. 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA Capa MAC no estandarizada Existen otras implementaciones no estandarizadas de capa MAC para la capa fı́sica de IEEE 802.11. Algunas son privadas como AirMAX [29] de Ubiquiti y NV2 [29] de Mikrotik, pero existen otras de código abierto como WiFiTDMA [30] desarrollada por TIER [31]. Ciertamente no se puede decir mucho de NV2 y AirMAX más allá de las caracterı́sticas que proporcionan sus fabricantes. Sin embargo, ambos protocolos fueron lanzados en 2009 y 2010, una fecha muy cercana a la publicación de WiFiTDMA en 2009, un protocolo libre incluido en FreeBSD y en algunas distribuciones de GNU/Linux. Por este motivo se sospecha, con cierta prudencia, que ambas soluciones AirMAX y NV2 son forks creados de esta implementación open-source. Por lo tanto de lo que se conoce de lo publicado de WiFiTDMA por el proyecto FreeBSD y la información disponible sobre AirMAX y NV2 podemos asegurar que consisten en soluciones basadas en el método de acceso al medio TDMA, pudiéndolas considerar Polling MAC/TDMA ya que tienen cierto grado de flexibilidad en la asignación de los slots a los usuarios. Algunas de sus principales caracterı́sticas son: - Soporte para detectar nodos ocultos. - Incorporación de un Polling MAC inteligente, el cual permite que se de prioridad a paquetes de voz y video. Además también prioriza a usuarios más activos sobre usuarios ociosos o menos demandantes para reducir la latencia percibida por estos. - Modo funcionamiento en infraestructura, sin posibilidad para ad-hoc. - 4 niveles de QoS y soporte para ARQ - Definición dos capas de software en la implementación: - Independiente del dispositivo fı́sico 802.11 que se encarga de escaneo de usuarios y asociación de estos, configuración de parámetros TDMA y reserva y asignación de recursos. Aquı́ se incluyen operaciones como envı́o de mensajes de broadcast, asignamiento periódico de ancho de banda, registro de clientes, etc. - Dependiente del dispositivo fı́sico 802.11 que se encarga de la sincronización y el scheduling de los SlotTimes a corto plazo. Generalmente trabajan con los drivers de Atheros, el mayor fabricante de chips IEEE 802.11. - Soporte para selección dinámica de tasa binaria por cliente 29 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 30 Como se ha comentado al principio de este Capı́tulo 2.2.3 el hecho de que estas soluciones se basen en el método TDMA, hacen los recursos sean cuantizados en tiempo. Esto generalmente sólo interesa cuando el tráfico a cursar es relativamente constante, de lo contrario, la eficiencia del canal disminuirı́a debido a la falta de uso de los SlotTimes o a la sobrecarga de información de control enviada para gestionar esos SlotTimes sobrantes. Sin embargo es una solución sencilla, introduce poca latencia hasta casi el 100% del uso del enlace y permite que los enlaces mantengan su rendimiento aún a grandes distancias gracias a la sincronización de los SlotTimes. Por último tiene la ventaja de que gracias a esta ”cuantización” de recursos, se pueden asegurar niveles estrictos y deterministas de QoS, tanto de throughput como de latencia, jitter y pérdida de paquetes. Por esta razón, muchas de las tecnologı́as orientadas al negocio se basan en TDMA. De las 3 implementaciones comentadas, se considerarán solamente AirMAX y NV2 debido a que, aunque existe la posibilidad de usar WiFiTDMA, no se considera una solución lo suficientemente estable y testada para su uso en el contexto del proyecto TUCAN3G. 2.2.4 Consideraciones para enlaces WiFi de larga distancia El uso de IEEE 802.11 como tecnologı́a para enlaces de larga distancia fue por primera vez propuesto en 2004 [32] y posteriormente estudiado por otros autores como [33] y [34]. Capa PHY en enlaces WiFI de larga distancia En la capa fı́sica por un lado, esta implı́cito que a mayor distancia mayor será la dificultad de mantener altos niveles de RSSI en el receptor y por lo tanto mayor dificultad de mantener niveles altos de modulación y codificación. Por lo tanto es de esperar que la tasa fı́sica disponible sea cada vez menor con la distancia. Esto es debido a que existen restricciones fı́sicas y legales que impiden usar grandes antenas para asegurar una buena RSSI a grandes distancias. En la Figura 2.4 se muestra una relación entre la distancia y la relación SNR para tres tipos de configuraciones WiFi: punto a punto, punto a multipunto y ad-hoc, asumiendo que se usan antenas direccionales (24dBi), sectoriales (17dBi) y omnidireccinales (12 dBi) respectivamente. También se asume en la Figura 2.4 que tanto la potencia máxima como la ganancia están reguladas conforme a la FCC 15.247. En los enlaces de larga distancia donde existe una gran componente de LOS pueden ser caracterizados como canales keyhole. El efecto keyhole aparece en este tipo de canales y hace que las técnicas MIMO sean poco 2.2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIFI APLICADAS EN ENLACES DE LARGA DISTANCIA Figure 2.4: Relación entre distancia y SNR definida legalmente por la FCC 15.247 para distintos tipos de enlaces o nada efectivas debido a la alta correlación existente en el receptor. Esto es provocado por el hecho de que las antenas transmisoras y receptoras están en campo lejano, por lo que las señales LOS pueden ser consideradas como ondas planas haciendo que la respuesta LOS sea de rango completo y la matriz H del canal MIMO sea de rango deficiente. Esto equivale a que no existe una decorrelación suficiente en los enlaces de larga distancia como para aprovechar las ventajas que ofrece MIMO [25]. Para evitar esto, algunos estudios [26] proponen aumentar la separación entre antenas tanto en receptor como en transmisor de forma que las señales estén suficientemente de-correladas. Esta separación viene dada por: dt · dr = λ·R V · cos(θt ) · cos(θr ) donde dt y dr son las distancias entre las antenas en el transmisor y receptor respectivamente, λ es la longitud de onda, R es la longitud del enlace, θt y θr los ángulos según las coordenadas esféricas en transmisor y receptor y V = max(MT , MR ). Si damos valores tı́picos para un enlace de larga distancia ( λ = 0.06 m para f = 5GHz, θt = θr =0 , V = 2, R = 30 Km ),obtenemos que para aprovechar las ventajas de MIMO las distancias 31 32 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO de separación de los arrays tanto en el transmisor como en el receptor son de dt = dr = 30 m. Por lo tanto, aunque teóricamente es posible lograr canales LOS MIMO de larga distancia con rangos altos de de-correlación, las distancias dt y dr son demasiado grandes para una implementación práctica en torres de sustentación comunes. Los costes de un despliegue de este tipo enlaces tendrı́a costes muy elevados y harı́a inviable cualquier diseño. Sin embargo, la diversidad espacial no es la única forma de obtener canales ortogonales. Como se comentó en el Capı́tulo 2.2.2, existe la posibilidad de usar polarización cruzada o cross-polarization, es decir, usar distintas polarizaciones para obtener canales ortogonales. Escenarios con enlaces de larga distancia usando técnicas MIMO a través de antenas dualmente polarizadas han sido probados satisfactoriamente[27], haciendo que el uso de MIMO mediante esta técnica sea viable y ventajoso en enlaces de larga distancia Capa MAC en enlaces WiFI de larga distancia En la capa MAC sin embargo la distancia influye significativamente en el rendimiento del enlace. Cuando se usa la capa MAC estándar basada en CSMA/CA existe una notable pérdida de eficiencia debido a la necesidad de aumentar el tamaño de los TimeSlots y otros parámetros MAC. En 2010 [33] se modeló adecuadamente WiFi para largas distancias, prediciendo las tasas para cada distancia y como adaptar los distintos parámetros para su óptimo rendimiento. Las implementaciones posibles de la capa estándar MAC para largas distancias consisten en dos: usando el parámetro Coverage Class introducido en el estándar para permitir distancias de hasta 15 Km variando ligeramente los parámetros MAC o usando la adaptación WiLD de 802.11 la cual permite alcanzar distancias de entre 50 y 100 Km según el hardware cambiando libremente y de forma no estándar los parámetros MAC como el SlotTime, AckTimeout y CTSTimeout. Sin embargo, otros autores han propuesto el uso de la capa MAC basada en TDMA/Polling para largas distancias como [30] y [34]. Ciertamente se trata de un modo de funcionamiento que aumenta la eficiencia de los enlaces de larga distancia debido a que la sincronización de los nodos hace que el rendimiento sea relativamente constante con la distancia. Debido a que los mecanismos de Polling que configuran el scheduling y la asignación de recursos generalmente se basan en sistemas request/response, es necesario considerar tiempos de propagación, lo que implica una pequeña reducción de la eficiencia con respecto a la distancia. 2.3. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIMAX APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA 33 2.3 2.3.1 Estado del arte de las tecnologı́as WiMAX aplicadas en enalces de larga distancia Descripción de los estándares IEEE 802.16 es un conjunto de estándares para comunicaciones WMAN (Wireless Metropolitan Area Networking) que ha sido comercializado bajo el nombre de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) por el WiMAX Forum. Desde 1998, el grupo IEEE 802.16 ha desarrollado varios estándares de interfaces inalámbricas para comunicaciones de banda ancha, pero no fue hasta 2004 cuando la primera solución WiMAX para comunicaciones fijas, IEEE 802.16-2004 [37], fue publicada. Posteriormente, tras diversas modificaciones para soluciones móviles y nuevas funcionalidades, se publicó en 2009 la versión IEEE 802.16-2009 [38], la cual está actualmente vigente y recoge tanto las nuevas revisiones como las versiones más antiguas. El estándar fue especı́ficamente diseñado para enlaces PtMP en modo infraestructura, para enlaces LOS o NLOS, el cual está formado por una estación base BS (Base Station) y una o varias estaciones subscriptoras SS (Subscriber Station). Sin embargo, también permite trabajar en modo adhoc y en PtP en algunos casos. El estándar permite trabajar en las bandas de entre los 2 GHz hasta los 66 GHz y contemplan distintas capas fı́sicas: una capa fı́sica de una sola portadora llamada Wireless-MAN-SCa, una capa fı́sica basa en OFDM llama Wireless-MAN-OFDM (con una versión para bandas no licenciadas por debajo de los 11 GHz llamada WirelessHUMAN) y una capa fı́sica basada en OFDMA (OFDM Access). La capa MAC de WiMAX está basada en el sistema TDMA/Polling, donde los recursos de la capa fı́sica son divididos en el tiempo (y en frecuencia según la capa PHY) y son gestionados en forma de slots o tramas de duración fija mediante distintos mecanismos de solicitud/asignación de ancho de banda. Por razones de interoperabilidad, el ámbito del estándar está reducido al definir una serie de perfiles de sistema y perfiles de certificación. Actualmente, el WiMAX Forum tiene dos perfiles de sistema diferente, el fijo (con OFDM PHY) y el móvil (con OFDMA PHY). Un perfil de certificación se define como una determinada implementación de un perfil de sistema para una determinada frecuencia de operación, ancho de banda de canal y modo de duplexación. En la Tabla 2.7 se resumen las distintas caracterı́sticas de IEEE 802.16. CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 34 Parámetro Frecuencia Aplicación Arquitectura IEEE 802.16-2004 10 GHz - 66 GHz Fijo con LOS/NLOS PtP, PtMP,mesh Esquema Tx Portadora única, 256/2048 OFDM Modulaciones P Tasa binaria Multiplexación Duplexación Anchos de banda Interfaz PHY Implementación BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 1 - 75 Mbps Burst TDM / TDMA / OFDMA TDD y FDD 1.75 MHz, 3.5 , 7 MHz, 14 MHz, 1.25 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 8.75 MHz WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN Fijo IEEE 802.16-2009 2 GHz - 11 GHz / 6 GHz Fijo/Móvil con LOS/NLOS PtMP,mesh Portadora única, 128/256/512/1024/2048 OFDM BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 1 - 75 Mbps Burst TDM / TDMA / OFDMA TDD y FDD 1.75 MHz, 3.5 , 7 MHz, 14 MHz, 1.25 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 8.75 MHz WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN Fijo y Móvil Tabla 2.7: Caracterı́sticas de las versiones de WiMAX 2004 y 2009 Este documento se centrará solamente en WiMAX fijo en modo PtP debido a que es el que se contempla para el proyecto TUCAN3G como tecnologı́a de backhaul. Se considerarán las implementaciones que trabajan tanto en la banda licenciada de 3 GHz como en la no licenciada de 5.8 GHz, aunque se dará mayor peso al análisis en la banda no licenciada de 5.8 GHz debido a que es la que permite reducir más los costes. 2.3.2 Capa fı́sica de 802.16 Aunque en las primeras versiones de WiMAX se definió una capa PHY de portadora única, todas las actuales implementaciones están basadas en OFDM debido a sus caracterı́sticas favorables para enlaces de banda ancha en entornos NLOS con multitrayecto, como alta eficiencia espectral, aprovechamiento de la diversidad de frecuencias, demodulación coherente, baja complejidad computacional, alta protección contra interferencia de banda estrecha, etc. En el Capı́tulo 2.2.2 se detalló el funcionamiento de OFDM por lo 2.3. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIMAX APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA 35 tanto no se detallará su funcionamiento de nuevo en esta sección. Sin embargo la capa OFDM de WiMAX posee una configuración distinta y usa distintos parámetros a los usados en las capas PHY de IEEE 802.a/n. Estos parámetros se muestran en la Tabla 2.8 Parámetro OFDM FTT o N de portadoras de datos No de portadoras piloto No de portadoras de guarda GI(TGuard /TSymb ) Ancho de banda en 3.5 GHz Ancho de banda en 5.8 GHz Tasa de sobremuestreo Espacio entre subportadoras GHz TSymb útil TSymb OFDM WiMAX fijo 256 192 8 56 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 3.5 y 7 MHz con TDD 10 MHz con TDD 7/6 15.625 KHz 64 μs 72 μs Tabla 2.8: Parámetros PHY OFDM para WiMAX fijo Las tasas fı́sicas obtenidas con OFDM varı́an mucho según los distintos parámetros de ancho de banda, intervalo de guarda, MCS usado, número de subportadoras,etc. Debido a esto posteriormente en el Capı́tulo 4 se analizará detalladamente el rendimiento de WiMAX tanto a nivel PHY como a nivel de capa MAC para diferentes parámetros. Al igual que las capas fı́sicas de WiFI, las capas fı́sicas de WiMAX también soportan tecnologı́as MIMO como STBC, multiplexación espacial y beamforming. Como estos conceptos relativos a MIMO han sido detallados en el Capı́tulo 2.2.2 y 2.2.3 no serán de nuevo descritos. 2.3.3 Capa MAC 802.16 De los distintos tipos de acceso al medio existentes descritos en el Capı́tulo 2.2.3, WiMAX Fijo hace uso de una capa MAC basada en TDMA/Polling. Esto implica que los recursos están divididos en tramas temporales en las cuales existen espacios de datos y de control y que son gestionados por mecanismos de solicitud y asignación de diferente naturaleza asociados cada uno a un tipo de QoS. El mı́nimo recurso de tiempo-frecuencia que puede ser reservado para un usuario se llama slot y consiste en un subcanal sobre 1 o varios sı́mbolos OFDM dependiendo del esquema de subcanalización usado. Un ejemplo de como es una trama WiMAX Fijo TDD se muestra en la Figura 2.5 [1]. 36 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO Figure 2.5: Ejemplo de trama TDD de WiMAX Fijo Debido a que el estándar nació con la finalidad de ofrecer un soporte de QoS fiable, el uso de TDMA como tecnologı́a de acceso al medio se combinó con mecanismos de QoS multiusuario y multitráfico. La capa MAC de WiMAX está totalmente orientada a la conexión y está diseñada de forma que pueda dar servicio a un gran número de usuarios demandando distintas aplicaciones con distintos requerimientos cada una. Esto se logra gracias a los mecanismos de QoS basados en clases de tráfico y prioridades donde cada una tiene sus formas de acceder a los recursos radio y tiene requisitos distintos de tasas binarias constantes, variables, de tiempo real o de background. Para aquellas conexiones que requieren mayor fiabilidad, WiMAX da soporte de ARQ y HARQ a nivel de capa MAC. HARQ es una efectiva técnica hı́brida entre FEC y ARQ en la cual los paquetes con errores no son simplemente descartados si no que son guardados para intentar corregirlos con posteriores recepciones. Se contemplan dos tipos de HARQ, Chase Combination en el cual se retransmiten idénticas copias del paquete original y Incremental Redundancy, en el cual el paquete es re-enviado por partes gradualmente para intentar que el paquete original se corrija sin necesidad de enviar el paquete completo y ası́ reduciendo la sobrecarga en el canal por el número de retransmisiones. WiMAX define el concepto de conexión como un enlace lógico unidireccional entre BS → SS o BS ← SS, el cual está definido como un identificador de conexión CID. De igual manera, WiMAX define el concepto de flujo de servicio como un flujo unidireccional de paquetes con unos determinados parámetros de QoS y es identificado con un identificador de flujo de servicio SFID. Estos parámetros de QoS incluyen la prioridad del tráfico,la tasa máxima sostenida MSR, la tasa de ráfaga máxima MBR, la tasa mı́nima, el tipo de scheduling, el tipo de ARQ, el retardo y el jitter máximo, la tasa máxima de pérdida de paquetes, el mecanismo de solicitud de ancho de banda, etc. La BS es el nodo responsable de asegurar el SFID a cada flujo de servicio mapeándolo a un único CID y por lo tanto a una polı́tica de acceso. Para la capa MAC de IEEE 802.16-2009 se definen 5 clases en las que un SF puede ser categorizado: 2.3. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIMAX APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA 37 - Unsolicited Grand Service (UGS) Esta clase de tráfico asegura subtramas periódicas de tamaño constante sin necesidad de que la SS tenga que solicitarlo. De esta manera se reducen la sobrecarga y el retardo. Esta clase está pensada para flujos de tráfico que demanden un throughput mı́nimo y retardo y jitter máximo, como por ejemplo enlaces lógicos que emulen un T1/E1 o servicios de VoIP sin supresión de silencios. - Real-time Polling Service (rtPS) Esta clase está diseñada para soportar tráfico en tiempo real como vı́deo MPEG. Posibilita el uso de subtramas periódicas de tamaño variable de forma que la eficiencia del canal es superior. Sin embargo la SS tiene que solicitar periódicamente ancho de banda usando el slot reservado (unicast poll) solicitando la tasa deseada en el siguiente intervalo de transmisión. Pueden definirse los parámetros de QoS throughput mı́nimo y retardo máximo permitido. - Extended rtPS (ertPS). Esta clase soporta aplicaciones de tiempo real con tasas binarias variables, como VoIP con supresión de silencios, pero que requieren garantı́as de retardo y throughput. Se trata de un hı́brido entre UGS y rtPS. Sin embargo esta clase de servicio no está soportada por las implementaciones de WiMAX fijo. - Non-real-time Polling Service (nrtPS). Esta clase es adecuada para aplicaciones sin requerimientos de tiempo real y tolerantes al retardo, como FTP. Sin embargo permite asegurar recursos del nivel fı́sico incluso en redes saturadas. - Best Effort Service (BE). Esta clase incluye todas aquellas aplicaciones sin requisitos de QoS y que no necesitan una garantı́a de nivel de servicio mı́nimo. La navegación Web y el tráfico P2P podrı́an clasificarse como BE. La forma que tiene WiMAX de mapear el tráfico en estas clases es usar los mecanismos de QoS de los niveles superiores, generalmente IP. De esta manera, según el DSCP incluido en los paquetes IP, WiMAX será capaz de tamizarlos y clasificarlos en las correspondientes clases de servicio. CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 38 2.3.4 Consideraciones para enlaces WiMAX de larga distancia Muchos autores han identificado WiMAX como la tecnologı́a que podrı́a reducir la brecha digital en las zonas rurales logrando que el despliegue de infraestructuras de telecomunicaciones sea rápida, rentable y eficiente. Esto se debe por una parte a que ofrece un soporte de QoS adecuado para su uso comercial ofreciendo garantı́as tanto al ISP como al usuario. Adicionalmente, su estandarización por el WiMAX Forum ha permitido que los precios de los equipos caigan considerablemente logrando una economı́a de escala, independencia e innovación entre los distintos miembros de la industria de fabricantes. IEEE 802.16 es un estándar más flexible que IEEE 802.11 ya que permite operar en un mayor rango de escenarios a diferentes frecuencias, ya sean licenciadas o no licenciadas. Sin embargo, lo que la ha convertido en una buena solución para proveer servicios de banda ancha inalámbricos es su comportamiento en los enlaces de larga distancia. Su naturaleza TDMA hace que su rendimiento no decaiga con la distancia como sı́ sucedı́a en las tecnologı́as basadas en CSMA/CA si no que no existen restricciones intrı́nsecas más allá que las relativas a la capa fı́sica. Por lo tanto, asegurando una buena SNR en el receptor y asegurando un buen balance de enlace, no existe mayor limitación en la distancia más que las restricciones económicas de los equipos y las regulaciones de cada paı́s en cuanto a la potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP). Por lo tanto, lo descrito en el Capı́tulo 2.2.4 de enlaces de larga distancia para la capa fı́sica de IEEE 802.11 tiene validez también para IEEE 802.16, ya que ambas capas fı́sicas tienen las mismas bases. Por lo tanto el uso de MIMO mediante polarización dual será una de las recomendaciones para la implementación de este tipo de redes. Existen algunos estudios como [39] que han realizado pruebas experimentales especı́ficamente con la capa fı́sica de WiMAX en entornos reales y con equipos WiMAX reales, en este caso, centrándose en la relación entre distancia y potencia recibida (RSSI). La Figura 2.6 muestra esta relación, la cual viene determinada por RSSI = n · log(D) + A donde n es el exponente de pérdidas por propagación, D es la distancia en metros y A es la RSSI en dBm a 1 metro de distancia de la antena transmisora. En nuestro contexto serán consideradas mayores distancias, por lo que se usarán otros modelos de propagación. Sin embargo, la Figura 2.6 [39] muestra el comportamiento de un enlace tı́pico hasta los 20 Km, lo que permite construir una idea clara de la problemática de la RSSI en el receptor. 2.3. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIMAX APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA 39 Figure 2.6: Variación de la RSSI con la distancia medida en escenarios reales de enlaces de larga distancia Otro estudio, [40], también experimental, muestra las distintas tasas binarias que se obtienen en WiMAX para distintas modulaciones en enlaces de larga distancia. Los resultados reflejan como se esperaba que a mayor distancia, menor RSSI recibida y, por lo tanto, más conveniente será usar modulaciones más robustas. El uso de modulaciones robustas afecta negativamente en el nivel tasa binaria obtenida, por lo tanto es normal que para grandes distancias es mucho más complicado obtener enlaces estables y de alta capacidad que a distancias cortas. En la Figura 2.7 [40] se ilustra el throughput obtenido a las distancias de 220m, 5400m y 9400m para distintas modulaciones, mostrando como aquellas modulaciones con mayor capacidad como 64 QAM 3/4 aumentan su inestabilidad con la distancia, mientras que las más robustas, como BPSK 1/2 permanecen inalterables y estables. Por lo tanto, cuando se aborda la problemática de la distancia, la única restricción real será la del balance de enlace. Esto queda demostrado en [41], donde se prueba un enlace WiMAX de 295 Km con antenas de 35 dBi, logrando throughtpus a nivel TCP estables de 12 Mbps cuando se consideran las regulaciones europeas de potencia (y hasta 30 Mbps si se consideran las regulaciones africanas). 40 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO Figure 2.7: Throughputs a nivel TCP en un enlace descendente WiMAX a varias distancias para las distintas modulaciones 2.3. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS WIMAX APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA 41 Otro aspecto a tener en cuenta en los enlaces de larga distancia es la QoS. Distintos estudios como [42], [43] muestran los casos de éxito de redes WiMAX rurales con estricto soporte de QoS, evidenciando la viabilidad de este tipo de redes y apuntando a sus desafı́os técnicos. Por último, otros autores [44], [45] proponen explotar el modo mesh que el estándar IEEE 802.16-2009 permite para realizar despliegues de redes WiMAX rurales de forma más barata y eficiente. Es el caso de aquellos escenarios donde se requiere proveer de cobertura grandes areas de baja densidad poblacional y de difı́cil acceso. Sin embargo la QoS en las redes ad-hoc es más difı́cil de asegurar que en las redes PtP o PtMP. Para evitar esto, algunos estudios [46], [47] proponen el uso de la enmienda IEEE 802.16j, la cual define el uso de nodos repetidores para mejorar el rendimiento y la cobertura de la red sin sacrificar la QoS. Sin embargo algunas de estas propuestas pueden no ser implementadas de forma masiva por los fabricantes debido al escaso apoyo de las operadoras. CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 42 2.4 2.4.1 Estado del arte de las tecnologı́as VSAT aplicadas en enalces de larga distancia Descripción de los estandares Tradicionalmente la tecnologı́a más usada para dar acceso TIC en las zonas rurales más aisladas de los paı́ses en desarrollo ha sido la basada en comunicaciones por satélite y una de las más extendidas es VSAT. El desarrollo de las tecnologı́as VSAT no se ha basado en la elaboración y cumplimiento de estándares abiertos, si no que cada fabricante ha seguido su propio estándar. Esto hace que cada solución sea muy dependiente tanto del hardware como del software usado. En el contexto del proyecto TUCAN3G se consideran básicamente dos modos de trabajo: TDM/MF-TDMA y SCPC. TDM/MF-TDMA (Time Division Multiplexing/MultiFrecuency-TDMA) es una arquitectura en forma de estrella donde cada estación se conecta al hub central o satélite y SCPC (Single Channel Per Carrier) es una arquitectura con topologı́a punto a punto donde los recursos están dedicados. Mientras que para SCPC no existen estándares al uso si no que cada fabricante implementa sus propias tecnologı́as, para TDM/MF-TDMA están disponibles tres estándares. Existe un estándar abierto, llamado DVB-RCS2, y dos estándares industriales, IPoS y S-DOCSIS. Los equipos que siguen los estándares tanto de IPoS como de S-DOCSIS no son compatibles con otros equipos de diferentes fabricantes por diferencias en su implementación aunque usen el mismo estándar. Algunas de las principales caracterı́sticas de estos estándares son: - DVB-RCS2. Digital Video Broadcasting-Return Channel Satellite. Se trata de la unión de dos tecnologı́as, DVB-S2 y RCS-2. DVB-S2 es el estándar para comunicaciones Hub-To-Remote para broadcasting en sentido downlink, tradicionalmente usado como fordward channel en sistemas de TV digital. El estandar RCS-2 es un estándar para comunicaciones por satélite Remote-To-Hub para enlaces de datos de uplink. Con la unión de estas dos tecnologı́as unidireccionales se obtiene un sistema bidireccional interactivo de banda ancha por satélite. - IPoS. Internet Protocol over Satellite. Se trata de un estándar desarrollado por HNS (Hughes Network Systems) orientado a la compatibilidad con redes IP de propósito general. - S-DOCSIS. Satellite- Data Over Cable System Interface Standard. Se trata de una versión de DOCSIS para comunicaciones por satélite. 2.4. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS VSAT APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA DOCSIS es un estándar relativamente antiguo para transmisión de TV digital por cable. Define una interfaz de comunicaciones y operaciones sobre sistemas tanto de cable como HFC (Hybrid Fibre Coaxial). Aunque originalmente S-DOCSIS nació como una extensión para el DOCSIS estadounidense, actualmente trabaja con la versión europea EuroDocsis y con las actuales DOCSIS 3.0 y DOCSIS 3.1. 2.4.2 Capas PHY y MAC de para VSAT Los sistemas satelitales se caracterizan por tener una capa fı́sica de baja señal ya que, debido a la gran atenuación causada por la propagación en el espacio libre y en la atmósfera, los niveles de SNR en el receptor son notablemente más bajos que en otros tipos de sistemas de comunicaciones. Para VSAT se usan satélites geoestacionarios cuyas órbitas se encuentran a 36000 Km de distancia de la superficie terrestre. VSAT generalmente trabaja en las bandas Ka, Ku y C, cada una con atenuaciones por lluvia en dB/Km de 30, 2 y 0.05 aproximadamente. Esto hace que, aunque para la banda C sea despreciable, las bandas Ka y Ku tengan atenuaciones considerables, siendo de mayor relevancia en zonas tropicales. Como cada estándar tiene una capa fı́sica y MAC distinta a continuación se analizarán los detalles de cada uno de los tipos de enlaces VSAT: DVB-RCS2 DVB-RCS2 es el único estándar internacional abierto para comunicaciones por satélite que incluye las capas PHY y MAC. Está definido por el consorcio DVB Project y normalizado por la ETSI desde 1999 por ETSI EN 301 790 [48], siendo la última versión vigente la de 2011. DVB-RCS2 es un estándar relativamente maduro que ha sido ideado para reducir los costes de VSAT haciendo que sistemas y terminales de distintos fabricantes sean compatibles entre sı́. Sin embargo, esto no ocurre muchas veces ya que la mayorı́a de fabricantes introduce sus propias funcionalidades haciéndolos incompatibles. La Figura 2.9 [48] muestra la arquitectura de referencia de DVB-RCS2, según el estándar. 43 44 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO Figure 2.8: Modelo de arquitectura DVB-RCS El estándar DVB-RCS2 se basa en una topologı́a de estrella Hub-spoke, donde todos los terminales remotos comparten el mismo canal de difusión FW (downlink) basado en DVB-S2 usando TDM, pero usan distintos canales de retorno RT (uplink) basados en RCS-2 usando MF-TDMA. - Canal de difusión FW. El canal de downlink FW Hub-Remote soporta 4 tipos de modulaciones: QPSK, 8-PSK, 16-APSK y 32APSK. Para la codificación se propone usar LDPC (Low Density Parity Check) junto con BCH (Bose - Chyaudhuri - Hocquenghem). De esta manera se obtiene buena protección contra errores pero obteniendo eficiencias cercanas al lı́mite de Shannon, gracias a LDPC, y facilidad de decodificación, al usar BCH. Las tasas de codificación FEC (Forward Error Correction) disponibles vas desde 1/2 hasta 9/10. Como otras tecnologı́as satelitales, DVB-RCS2 dispone de mecanismos para mitigar los efectos de la atenuación atmosférica y por lluvia, tales como ACM (Adaptative Coding and Modulation) optimizada trama a trama, DRA (Dynamic Rate Adacptation) y VCM (Variable Coding and Modulation). Estos mecanismos simplemente adaptan el MCS o MODCOD según el estado del canal, escogiendo modulaciones de alto nivel y códigos de baja redundancia en situaciones de cielo claro y modulaciones de bajo orden y códigos de alta redundancia para situaciones con clima adverso. Sin embargo, también contempla 2.4. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS VSAT APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA técnicas estáticas como CCM (Constant Code and Modulation). El mecanismo de acceso medio usado TDM es el definido por DVB2 en su versión para TV Digital. Un mismo canal compartido por todas las estaciones remotas se divide en TimeSlots de igual longitud donde cada uno es asignado a distintas estaciones. El hub o satélite controla de forma lógica estos TimeSlots agregándolos en una supertrama para aumentar la eficiencia en el canal. El uso de TDM en el canal FW permite servir a las estaciones remotas tanto tráfico unicast como multicast [49]. - Canal de retorno RT. El canal de uplink RT de RCS2 soporta las modulaciones BPSK, QPSK, 8PSK y 16QAM y usa codificaciones PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code). PCCC es uno de los turbo códigos más extendidos y fue diseñado especı́ficamente para conseguir una FEC de alto rendimiento. Al igual que los códigos LDPC, obtienen tasas cercanas de la capacidad de Shannon. Los turbo códigos y LDPC actualmente dan prestaciones parecidas, sin embargo LDPC tiene la ventaja de no requerir patentes generalmente. Al igual que en el canal FW, existen técnicas para mitigar los efectos de la atenuación atmosférica como ACM y ACS (Adaptative Carrier Selection). Para el canal de retorno el mecanismo usado para acceso al medio es una versión multifrecuencia de TDMA (MF-TDMA). Se trata de un mecanismo dinámico TDMA que combina TDMA con Frequency Hopping en el cual una estación remota envı́a ráfagas usando determinados TimeSlots de determinadas frecuencias en cada instante de tiempo según un patrón, ya sea, aleatorio o determinista. Los saltos de frecuencia pueden ser realizados según el estado del enlace para cumplir con los requisitos de QoS, de forma que tráficos más prioritarios usen las portadoras con menor atenuación [49]. Tanto en los canales FW como RT, se ha sustituido en DVB-RCS2 el encapsulamiento estándar de IP por un nuevo método optimizado de encapsulado llamado RLE, que maximiza la eficiencia en las ráfagas TDM/MF-TDMA, reduciendo la sobrecarga por cabeceras de IP de los paquetes pequeños pero manteniendo el soporte de QoS en un mismo enlace VSAT y la compatibilidad tanto con IPv4 como con IPv6. IPoS IPoS es un estándar ratificado por la TIA (US Telecommunications Industry Association Standard) en 2003 según TIA-1008 y por la ETSI según ETSI TS 102 354. El estándar especifica la arquitectura de capas y protocolos para la transmisión de paquetes IP entre una pasarela central o Hub terrestre 45 46 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO y terminales remotos usando la banda Ku. Por lo tanto, al existir esta estandarización sólo a nivel IP, tanto las capas fı́sicas como las de acceso al medio son dependientes y especı́ficas del fabricante, aunque generalmente se asumen capas MAC basadas en TDM/TDMA. Al ser desarrollado por HNS, una de las empresas más importantes que implementan sistemas VSAT, IPoS ha sido estandarizada pese a ser diseñada en su origen como una solución privada. IPoS se centra en la provisión de servicios de banda ancha WAN IP tanto para mercados particulares, SOHO (Small Office Home Office) o de empresas, incluyendo servicios unicast y multicast. La arquitectura ilustrada en la Figura 2.9 [73] de IPoS es similar a la de DVB-RCS2. Figure 2.9: Arquitectura IPoS IPoS está estructurado según la arquitectura de protocolos para multimedia de banda ancha por satélite de la ETSI (ETSI TR 101 984). Para lograr independencia entre el nivel IP y las capas PHY y MAC satelitales, IPoS considera el uso de un SI-SAP (Satellite Independent Service Access Point) el cual permite: - Al separar entre las capas especı́ficas del enlace por satélite de las capas superiores independientes protocolos basados en IP como los de encaminamiento, pueden ser portados fácilmente al segmento satélite. - El SI-SAP se encarga de mapear los requisitos de QoS especı́ficos del satélite a IP. 2.4. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS VSAT APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA - Mediante el SI-SAP es posible migrar el sistema satelital de un fabricante a otro sin necesidad de realizar cambios en los niveles superiores. Sin embargo, aunque IPoS se ha estandarizado, solamente es usado por los equipos de HNS, y no por ningún otro fabricante todavı́a. S-DOCSIS S-DOCSIS es básicamente el estándar DOCSIS para cable-módem adpatado para plataformas satelitales. Sin embargo S-DOCSIS no se considera técnicamente un estándar satélite, si no una adaptación de DOCSIS. DOCSIS es un estándar abierto desarrollado por CableLab que define tanto una capa MAC como una capa PHY. La capa fı́sica de DOCSIS, tanto en 1.0 como 1.1 contemplan anchos de banda de uplink de entre 200 KHz y 3.2 MHz. DOCSIS 2.0 y 3.0 añaden la posibilidad de usar anchos de banda de 6.4 MHz. Para el canal de bajada todos usan 6 MHz salvo en las implementaciones Europeas (EuroDOCSIS) que consideran 8 MHz. Las modulaciones soportadas son 16QAM,64QAM, 265QAM para bajada y QPSK, 16QAM y 64QAM para subida. La capa MAC de DOCSIS emplea un método de acceso determinista hı́brido entre TDMA y CDMA llamado CDMA sı́ncrono (S-CDMA), evitando ası́ prácticamente las colisiones. DOCSIS permite transmitir a distintas estaciones simultáneamente en el mismo canal y frecuencia durante el mismo TimeSlot TDMA, pero con distintos códigos ortogonales. De esta manera, se convierte el canal en una versión multiplexada en el tiempo de DSSS. El estándar contempla hasta 128 códigos ortogonales, lo que limita el número de estaciones remotas simultáneas en un mismo TimeSlot a 128. Sin embargo, debido a la flexibilidad de TDMA, este número de estaciones puede ser incrementado sustancialmente. S-DOCSIS añade distintas modificaciones a las capas PHY y MAC de DOCSIS. En la capa fı́sica se ha añadido la modulación QPSK para bajada, se define la banda Ka como frecuencia de operación y se añadido mecanismos ACM para adaptar los MODCODs. Adicionalmente se ha han adaptado los mecanismos de QoS de DOCSIS para satélite y se ha añadido la funcionalidad IP. Pese a ser un estándar bastante asentado, con una notable economı́a de escala, no es el estándar más usado debido a que se le considera una mera adaptación de DOCSIS. SCPC/MCPC La otra alternativa VSAT a los enlaces basados en TDM/MF-TDMA es SCPC y su equivalente multicanal MCPC (Multi Channel Per carrier). 47 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 48 Actualmente no existen estándares oficiales para SCPC/MCPC por lo que cada fabricante usa sus propias soluciones. A diferencia de TDM/MFTDMA, SCPC y MCPC usan una sola portadora a una determinada frecuencia y con un determinado ancho de banda de forma dedicada. Funciona básicamente como un FDMA donde cada estación remota tiene asignada un ancho de banda. La capa fı́sica de SCPC soporta hasta las modulaciones 64APSK y 16QAM, tiene implementada una versión simplificada de codificación LDPH y BCH pero más rápida y posee mecanismos ACM. La capa MAC es simplificada debido a la ausencia de direccionamiento y se considera equivalente a la de PPP con estructuras de colas para QoS. Tı́picamente las tasas de transmisión van desde los 125 Kbps hasta los 155 Mbps, pero pueden ser mayores dependiendo del fabricante. Generalmente, se trata de enlaces usados para tráfico punto a punto unicast con ancho de banda constante, como VoIP. Sin embargo, no tiene sentido usar enlaces SCPC para tráfico bursty como IP de proposito general debido a que el ancho de banda no usado es ancho de banda despercidado, algo nada conveniente debido a los altos costes de alquiler de dichos enlaces. Sin embargo, en situación de tráfico constante, SCPC puede ofrecer mayores niveles de eficiencia y mejor calidad de servicio. La versión multicanal de SCPC, MCPC, funciona como una agrecación de enlaces SCPC. Distintas sub-portadores son multiplexadas en el tiempo en un sólo flujo y moduladas con la portadora principal. De esta manera se obtiene una eficiencia mayor en los enlaces dedicados SCPC. 2.4.3 Fabricantes y productos Debido a que la industria de las comunicaciones VSAT no se rige generalmente por los estándares, es conveniente hacer un repaso sobre los equipos comerciales disponibles ya que dependiendo de cada fabricante, hardware y software elegido las prestaciones puede variar notablemente. Las Tablas 2.9, 2.10, 2.11 y 2.12 muestran, para cada tecnologı́a VSAT, distintas soluciones de distintos fabricantes: 2.4. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS VSAT APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA Gilat SkyEdge-II Viasat LinkStar STM SatLink DVB-RCS2 Se trata de una implementación compatible con DVB-RCS2 con hasta 2.8 Mbps en uplink y 20 Mbps en downlink con codificación LDPC y BHC y FEC rate desde 1/4 hasta 9/10. Trabaja en la banda Ka [50]. Se trata de una solución orientada para que VNO den servicios en zonas aisladas. Trabaja en la banda Ka y usa las modulaciones BPSK, QPSK, OQPSK y 8-APS[51]. Es una solución de EMC orientada para servicios marı́timos. Es compatible con etiquetado 802.1p y ofrece servicios de QoS, de encapsulado y compresión [53]. Tabla 2.9: Algunas soluciones disponibles para DVB-RCS2 HNS Hughes IPoS Da un servicio IPoS mediante el módem HN9200. Trabaja en la banda Ku dando throughput máximos de 121 Mbps de bajada (DVB-2) y 3.2 Mbps de subida (mediante capa fı́sica privada). Es compatible con 802.1p y ofrece encriptado con AES 256 [73]. Tabla 2.10: Algunas soluciones disponibles para IPoS Exede Viasat Tooway S-DOCSIS Ofrece servicios aéreos y marı́timos a través de la plataforma Viasat-1. Se trata de un sistema que usa la banda Ka, satélites multi-haz y ofrece un servicio 12+3 Mbps (FW/RT) [?]. Ofrece un servicio de 20+6 Mbps (FW/RT) mediante el modem Surfbeam2 Tooway de Viasat. Trabaja en la banda Ka y ofrece distintas clases de servicio(enlaces plata, bronce, oro, etc.)[72] Tabla 2.11: Algunas soluciones disponibles para S-DOCSIS 49 CHAPTER 2. MARCO TEÓRICO 50 Comtech EF Data CMD570x Newtec MDM 3300 Novelsat NS3 SCPC Se trata de un servicio de la empresa Comtech EF Data dado con los modems de la familia CMD570. Están orientados para Voz (G7-03 y EIA) aunque opcionalmente pueden trabajar con IP. Ofrece un servicio bidireccional desde los 2.5 kbps hasta los 9.98 Mbps y usa las modulaciones BPSK, QPSK, OQPSK, 8-PSK, 16-QAM y una versión patentada de 8-QAM. Es compatible con 802.1q y posee mecanismos de Qos. Newtec de servicios SCPC a través de su familia de módems MDM. El MDM3300 ofrece conexiones unicast de 46+8 Mbps (DL+UL) y conexiones multicast de bajada hasta 21 Mbps. Esta solución esta orientada a dar servicios de backhaul a redes móviles y es compatible con IP [55] Novelsat ofrece a través de su plataforma NS3 enlaces simétricos bidireccionales de entre 100 Kbps y 850 Mbps. Posee eficiencias espectrales de entre el 40% y el 60% y posee técnicas de ACM y AUPC (Automatic Uplink Power Controller) [56] Tabla 2.12: Algunas soluciones disponibles para SCPC 2.4.4 Aplicación de VSAT para redes rurales Las tecnologı́as VSAT son ampliamente usadas como backhaul de redes rurales o aisladas en la actualidad. Sin embargo, solamente los operadores son capaces de desplegar estos enlaces debido a sus altos costes de alquiler. Existe abundante literatura sobre el uso de VSAT para dar conectividad a zonas rurales. En algunos casos se ha estudiado su uso como backhaul de redes de telemedicina como en [58] y [57]. Por un lado en [58] se propone el uso de WiMAX como red de acceso terrestre para que de servicio a una red de e-Health cuyo gateway consista en un enlace VSAT Gilat SkyBlaster compatible con el estándar DVB-RCS2. En este estudio se destacan las ventajas del uso de WiMAX con DVB-RCS2, ya que ambos sistemas son TDM/TDMA y ofrecen servicios estrictos de QoS. Sin embargo este estudio se centra el aspecto técnico y no aborda temas de costes. Sin embargo, [57] estudia el uso de VSAT como solución e-Health rural desde el punto de vista del coste, concluyendo que VSAT no es la solución más adecuada debido 2.4. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS VSAT APLICADAS EN ENALCES DE LARGA DISTANCIA al alto coste del ancho de banda satelital. [59] hace un estudio del coste de acceso mediante VSAT más en profundidad y en términos macroscópicos para un caso concreto en Indonesia teniendo en cuenta tasas de penetración y producto interior bruto del paı́s. Una de las conclusiones es que para medio y largo plazo VSAT no es la tecnologı́a más adecuada y se decanta por otras tecnologı́as terrestres como las móviles tradicionales (EDGE y HDSP) o de bajo coste como WiFi y WiMAX. Del estado del arte se concluye que sólo es recomendable el uso de VSAT en zonas rurales en proyectos donde el tráfico sea bajo (ej. telemetrı́a), proyectos donde un operador de servicios de voz a una red previamente dimensionada y agregada o proyectos a corto plazo de propósito general con conectividad a internet pero cuya duración no sea mayor a 1 o dos años. 2.4.5 Otras consideraciones A modo de comparación entre TDM/MF-TDMA y SCPC se puede concluir que para tráficos bajos y bursty TDM/MF-TDMA ofrece una mejor eficiencia y un menor coste. Sin embargo TDM/MF-TDMA tiene la desventaja de que su canal FW es bastante menos eficiente que el RT y que introduce una gran sobrecarga de protocolos que en ocasiones puede superar el 20% debido a los tiempos de guarda entre ráfagas y al encapsulado de los niveles superiores. Sin embargo, cuando el tráfico de paquetes aumenta y es agregado, esta sobrecarga hace que este tráfico no se comporte como bursty si no que se mantenga estable en escalas de tiempo mayores. Esto hace que para estos casos, SCPC sea más conveniente que TDM/MF-TDMA. Sin embargo, debido a la variación de demanda de tráfico existente durante las 24h de servicio, SCPC puede ser poco eficiente en aquellas horas con baja carga. Para estos casos, existen enlaces SCPC dinámicos que configuran el ancho de banda cambiando los MODCODs y la frecuencia de operación. La desventaja es que seleccionar distintas configuraciones en el módem tiene un serio impacto en la red debido a posibles interrupciones y retardos. [60]. Por último, es necesario considerar las capacidades Ad-hoc o mesh que soportan los estándares. Siempre que el satélite lo soporte, estas comunicaciones evitan usar el Hub terrestre y por lo tanto reducen a la mitad el camino que han de seguir los paquetes a la vez cumplen con los requisitos de QoS comprometidos en el modo infraestructura. Aunque los servicios mesh son implementados por varios fabricantes, actualmente el único estándar que lo contempla es DVB-RCS2. 51 Chapter 3 Metodologı́a y materiales Las herramientas disponibles para caracterizar las distintas tecnologı́as son principalmente tres. La primera es analizar el modelo teórico creado por otros autores en aquellas situaciones donde sea posible. La segunda es mediante un simulador, previamente validado con el modelo, realizar simulaciones que nos permitan obtener información del enlace en aquellas situaciones en las que el modelo teórico no lo hace. Por último, para comprobar la validez de las herramientas anteriores, se realizarán pruebas con equipamiento real. En algunos casos, como en la caracterización de las tecnologı́as propietarias, la única información disponible se obtendrá a través de este método debido a que no existe información respecto a su funcionamiento interno y, por lo tanto, no existen ni un modelo teórico ni una herramienta que las simule. Las pruebas generalmente se realizarán en un laboratorio de entorno controlado y siempre que sea posible se realizarán pruebas en enlaces ya desplegados con equipamiento real. Debido a su dificultad tanto técnica como logı́stica, este tipo de pruebas no se ha realizado en todas las configuraciones ni en todas las distancias. 3.1 Simulaciones Los simuladores de red son herramientas software muy potentes que permiten probar e implementar lógicamente redes sin necesidad de llevar a cabo largos y costosos experimentos con hardware real, el cual no siempre esta disponible o no siempre existe. Además, no siempre existen modelos teóricos que predigan el comportamiento de una determinada tecnologı́a, mientras que un simulador puede aportar datos para numerosas realizaciones y obtener su comportamiento para una gran variedad de configuraciones. Por ejemplo, generalmente los modelos no contemplan las situaciones de no-saturación, por lo que el uso de un simulador es vital para caracterizar los enlaces en este 53 54 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES tipo de situaciones. Los resultados de la simulación son fáciles de analizar y pueden generar en logs grandes volúmenes de información de forma precisa y rápida. Sin embargo, los simuladores tienen el inconveniente de no ser tan realista como una prueba empı́rica debido a que generalmente se realizan algunas simplificaciones. Existe una gran variedad de simuladores de red, cada uno con sus ventajas y desventajas. La mayorı́a son simuladores de eventos discretos que representan un sistema como una secuencia de estos eventos en orden cronológico. Cada uno de estos eventos, por ejemplo el envı́o de un paquete, ocurre en un determinado instante y cambia el estado del sistema. Durante la simulación, todos estos eventos son almacenados en un conjunto de ficheros que pueden ser procesados con posterioridad para obtener los parámetros más interesantes como por ejemplo throughput, latencia, jitter y pérdida de paquetes. Algunas de las caracterı́sticas que diferencian unos simuladores de otros son el tipo de licencia, el soporte multiplataforma, soporte de estándares reales, interfaces con otros módulos o hardware, modelos de canal y error, niveles de encaminamiento disponibles, capas fı́sicas implementadas, soporte de nodos multi-interfaz, soporte de la comunidad de desarrollo y interfaz de usuario. Finalmente, el hecho de que el simulador tenga un modelo de localización espacial, no sólo topológico si no que tenga en cuenta las distancias entre nodos, es esencial para este proyecto. Los simuladores de redes considerados han sido OMNeT++, NCTUns, ns2 y ns-3 ya que tienen una licencia académica o GNU/GPL y están basados en un núcleo C++. - OMNeT++ es una potente herramienta que usa su propio lenguaje NED como interfaz para la simulación de redes. Da soporte tanto como para IEEE 802.11 como para IEEE 802.16, pero ambas implementaciones son limitadas, como que por ejemplo la distancia no se tiene en cuenta y que no hay soporte para modos mesh o topologı́as PtMP. - NCTUns sı́ tiene buenas implementaciones de IEEE 802.11 e IEEE 802.16. Sin embargo, solamente dispone de una interfaz gráfica de usuario y tiene un soporte de la comunidad escaso en comparación con otros simuladores open-source. - ns-2 es uno de los simuladores más famosos y por tanto más usados. Su interfaz trabaja con el lenguaje de scripting TCL y existe una gran cantidad de código y documentación, incluyendo IEEE 802.11 e IEEE 802.16. Sin embargo, debido a su elevado número de módulos, no todas las versiones de ns-2 son compatibles entre sı́. Además existen 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS ciertas deficiencias de diseño reconocidas por la comunidad las cuales obstaculizan la escalabilidad del proyecto. - ns-3 (versión ns-3.20) es un nuevo simulador creado en 2006 y diseñado especı́ficamente para solventar las carencias de ns-2. Aunque existen interfaces gráficas, generalmente se usa C++ o python como interfaz con el simulador. Su modularidad y su arquitectura orientada a objetos hace que ns-3 sea una herramienta muy escalable y versátil. Existen implementaciones de los estándares IEEE 802.11 e IEEE 802.16 y los modelos de acceso al medio y de localización espacial son adecuados para reflejar los efectos de la distancia en este tipo de enlaces. Además de tener una gran cantidad de documentación y una API detallada, hay disponibles numerosos artı́culos cientı́ficos acerca del simulador y existe una comunidad que ofrece un amplio soporte. Para este proyecto se ha considerado que ns-3 es el que más ventajas ofrecı́a, y por lo tanto, es el que ha sido escogido para realizar las simulaciones. El simulador ns-3 requiere varios scripts ya sea en C++ o Python. Estos scripts que definen toda la información relativa a los nodos, dispositivos, aplicaciones, topologı́a, modelos, canales, pilas de protocolos etc. También se encargan de automatizar y programar las simulaciones ası́ como de realizar operaciones de logging,tracing y debugging guardando los datos en un formato determinado. Para facilitar el desarrollo y edición de estos scripts se usará el IDE Eclipse. 3.2 Caracterización de los experimentos Para dar validez real tanto al modelo como a las simulaciones, se realizarán un conjunto de pruebas con las tecnologı́as WiFi, WiMAX y VSAT usando equipamiento real. Estas pruebas serán realizadas en un laboratorio controlado en la URJC y en enlaces de redes previamente existentes. A continuación se describirán tanto los equipos y material usado, como los enlaces ya desplegados en redes existentes. 55 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES 56 3.2.1 Caracterización de equipos WiFi WiFi 8 placas Mikrotik boards RouterBOARD 493G cada una con chips Mikrotik RouterBOARD R52Hn. Las placas soportan SISO y MIMO de hasta 2x2 y pueden trabajar tanto con IEEE 802.11 a/b/g/n como con NV2. Llevan el sistema operativo RouterOS 6.19 y tienen 9 puertos Gigabit Ethernet. 2 Ubiquiti Rocket M5 con capacidades de SISO y MIMO de hasta 2x2. Soportan IEEE 802.11 a/b/g/n y AirMAX. Llevan el sistema operativo airOS 5.5 8 placas Alix (2d2) con arquitectura x86 cada una con dos tarjetas PCI inalámbricas Routerboard R52 con soporte para IEEE 802.11 a/b/g y sin capacidades de MIMO. Funcionan con el sistema operativo Voyage Linux 0.9.2 y poseen dos interfaces FastEthernet Tabla 3.1: Equipamiento WiFi WiMAX WiMAX 1 estación base WiMAX Albentia PRO-BS-1150. Trabajan en la banda no licenciada 5 GHz y son compatibles con el estándar IEEE 802.16-2009 para WiMAX Fijo. Tiene una antena omnidireccional incorporada de 15 dBi. [70] 5 estaciones subscriptoras Albentia PRO-SU-115. Trabajan en la banda no licenciada 5 GHz y son compatibles con el estándar IEEE 802.16-2009 para WiMAX Fijo. Las SS llevan integradas antenas de array internas de 16dBi protegidas por un radomo. [70] Tabla 3.2: Equipamiento WiMAX VSAT VSAT Módem satélite Viasat Surbeam2 Tooway de banda Ka. Soporte para Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS 1.1). Enlace 20+6 Mbps (FW+RT) [72] Módem satélite Hughes HN 9200 de banda Ku. Soporte para DVB-S2 y IPoS. Enlace 4+1 Mbps (FW+RT) [73] Antena parabólica de 75 cm para el equipo Tooway Ka. 44.3 dBi Antena parabólica de 90 cm para el equipo Hughes Ku. 40.5 dBi Tabla 3.3: Equipamiento VSAT 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS 57 Los equipos VSAT se conectan a los dos satélites geostacionarios descritos en la Tabla 3.4 y cuyas coberturas se muestran en las Figuras 3.1 y 3.2 [62]. El enlace con el satélite Eutelsat KA-SAT está configurado para ofrecer 4+1 Mbps (downlink+uplink) con el estándar DVB-2/IPoS mientras que el enlace con el satélite Hipasat 1-D esta configurado para ofrecer 20+6 Mbps (downlink+uplink) con el estándar S-DOCSIS. Satelite Eutelsat KA-SAT Hispasat 1-D Posición o 9 Este o 30 Oeste Bandas Anchos de banda Ka (18-31 GHz) 250 Mhz en Ka Ku (10-18 GHz) 33, 36, 46, 50, 54 y 72 MHz en Ku Número de haces Cobertura 9 Europa y parte de Oriente Medio 82 Sudamérica, Europa y Norte de África Tabla 3.4: Descripción de los satélites Eutelsat KA-SAT y Hispsat 1-D Figure 3.1: Cobertura del satélite Eutelsat KA-SAT CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES 58 Figure 3.2: Cobertura del satélite Hispasat 1-D 3.2.2 Caracterización del laboratorio El laboratorio posee una topologı́a bus que permite montar el material (routers, pcs, portátiles, etc.) de manera que todos comparten la misma subred a través de un switch-rack y a la que se accede a través de un servidor NAT que comunican el laboratorio con el exterior. Adicionalmente, para montajes más delicados, se pueden hacer uso de switches adicionales para extender la subred con distintas topologı́as. Para lograr que el tráfico de gestión y monitorización, tales como señalización, sincronización, sesiones SSH, etc. vaya por las interfaces cableadas y el tráfico de inyección vaya por las inalámbricas se hace uso de IP-aliasing y encaminamiento estático. Se realizarán dos tipos de pruebas, ambas mostradas en la Figura 3.4: - Test1: Enlaces punto a punto inalámbricos. Aquı́ se probarán las tecnologı́as IEEE 802.11, NV2, AirMAX y WiMAX conectando dos 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS PCs mediante un enlace inalámbrico, uno actuando como inyector de tráfico A y otro como inyector de tráfico B. - Test2: Enlace punto a punto satelital con salida al exterior. En este caso se probará VSAT conectando un equipo inyector de tráfico al módem satélite y otro equipo inyector de tráfico a una VLAN con una IP pública con salida al exterior. Figure 3.3: Tipos de tests contemplados para en el laboratorio de la URJC Para montar estas maquetas se dispone de material adicional el cual está descrito en la Tabla 3.5. 59 60 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES Equipamiento del laboratorio Switch Linksys SRW224 Web View de 24 puertos Gigabit Ethernet. 6 Switches Conceptronic de 5 puertos Gigabit Ethernet. 10 antenas omnidireccionales de interior de 5 dBi. 4 portátiles Acer Extensa E264 con Ubuntu 12.04 (64bits) con interfaces Gigabit Ethernet. Cableado Ethernet UTP categorı́a 5. Cableado Coaxial RF-shielded para conexiones que requieran aislamiento electromagnético. Dos cajas de aislamiento electromagnético para aislar los equipos de interferencias electromagnéticas. Tienen un tamaño de 50cm x 35cm x 25cm. Disponen de salidas coaxiales RF-shielded y entradas de potencia aisladas. Atenuadores para cableado coaxial de 60 dB para evitar saturación de potencia en los equipos inalámbricos. Sonda analizadora de espectro USB de Ubiquiti. Lleva incorporada la herramienta AirView y funciona para las bandas no licenciadas de 2.4 GHz y 5GHz. Tabla 3.5: Equipamiento de apoyo en el laboratorio Junto con este material se dispone del siguiente software de código abierto para realizar las medidas de rendimiento: - Iperf(IP Performance). Herramienta de injección de tráfico que permite realizar medidas de througput, jitter y pérdidas de paquetes. Es posible definir flujos unidireccionales o bidireccionales ajustando el protocolo de transporte (TCP o UDP), tamaño de paquete, tasa de inyección, etc. La herramienta funciona usando un modelo cliente-servidor. Existe más información en [61] - DITG (Distributed Internet Traffic Generator). Es una plataforma capaz de producir tráfico a nivel de paquete muy precisa. DITG es una herramienta más compleja que Iperf ya que permite definir parámetros como intervalo de envı́o y tamaño de paquete a través de distintos procesos estocásticos y variables aleatorias tales como la Exponencial, Uniforme, Cauchy, Normal, etc. Al igual que Iperf se basa en un modelo de cliente servidor. Además, puede marcar el DSCP de los paquetes para realizar pruebas de calidad de servicio. Es capaz de medir throughput, latencia, jitter y pérdida de paquetes. Un ejemplo de uso en el cliente para enviar 3 tipos de flujo serı́a: ITGSend -m owdm -a 10.10.20.3 -rp 9001 -b 0xb8 -T UDP -t 10000 -C 17 -c 126 ITGSend -m owdm -a 10.10.20.3 -rp 9002 -b 0x88 -T UDP -t 10000 -C 14 -c 996 ITGSend -m owdm -a 10.10.20.3 -rp 9003 -b 0x20 -T UDP -t 10000 -C 87 -c 472 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS con el que sen enviarı́an 3 flujos unidireccionales (-m owdm) a una determinada dirección Ip (-a 10.10.20.3) a un puerto (-rp 9001) con un DSCP (-b 0xb8) mediante un protocolo de transporte (-T UDP) durante una duración en milisegundos (-t 10000) paquetes de tamaño (c 126) a un intervalo de (-C 17) paquetes por segundo. Más información del funcionamiento de DITG se puede encontrar en [63] - NTP (Network Time Protocol). Es un protocolo para sincronizar los relojes de sistemas conectados a redes de paquetes con latencia variable. Está diseñado para eliminar los efectos de jitter que introduce la red y lograr precisiones del orden de μs. Existen diversas implementaciones. Para equipos los GNU/Linux se usarán ntpdate y ntpd. Los detalles del funcionamiento de NTP se pueden encontrar en [64] - Scripts especı́ficos. Se trata de una serie de scripts en shell creados especı́ficamente para el entorno del laboratorio. Su función será la de programar y automatizar el envı́o y recepción de flujos en los inyectores, ası́ como de procesar y filtrar la información y volcarla en ficheros para su posterior visualización y graficación. Estos scripts se acompañarán del uso de la utilidad cron de GNU/Linux para programar y sincronizar las pruebas. 3.2.3 Caracterización en redes reales Además de realizar pruebas de laboratorio, se intentará, en la medida de lo posible, comparar el funcionamiento de cada tecnologı́a en redes ya desplegadas. En el contexto del proyecto TUCAN3G existen varias redes rurales gestionadas por la Pontı́fica Universidad Católica del Perú (PUCP) a través del Grupo de Telecomunicaciones Rurales (GTR) y del Enlace Hispanoamericano de Salud (EHAS). Una de ellas, la Red de Telemedicina de Balsapuerto, está ubicada en el departamento de Loreto, provincia de Alto Amazonas en Perú. La otra red, la Red de Telemedicina del Napo, está ubicada en la cuenca del rı́o Napo, en la provincia de Maynas del departamento de Loreto. Ambas redes son ejemplos de redes tı́picas de las zonas rurales tropicales donde, debido a la densa masa forestal, generalmente la comunicaciones se realizan a través de los rı́os. Esto provoca que las poblaciones se sitúen generalmente de forma lineal en los márgenes del rı́o a través de toda su cuenca fluvial. Por este motivo, generalmente las redes de telecomunicaciones de estos pueblos son redes de topologı́a lineal donde en uno o en sus dos extremos existe una pasarela. Las dos redes usan torres ventadas para asegurar la lı́nea de vista en sus enlaces inalámbricos ya que no existen elevaciones naturales que puedan ser usadas debido a las caracterı́sticas planas de la orografı́a de la región. 61 62 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES Red de Telemedicina de Balsapuerto Esta red está detallada en las Figuras 3.4 y 3.5. Se trata de un conjunto enlaces montados con placas RouterBoard 493G y Alix 2d2. Los 4 nodos principales están ubicados en las localidades de Balsapuerto, San Gabriel de Varadero (Varadero), San Juan y Yurimaguas (Santa Gema). Estas localidades están conectadas a las demás mediante enlaces de larga distancia por medio de los equipos Mikrotik y se da servicio de tele-estetoscopı́a, telemicroscopı́a, telefónico y de videoconferencia a puestos de salud del estado a través de pequeños enlaces WLAN por medio de placas Alix. Por lo tanto debido a las restricciones que imponen los equipos instalados, las pruebas a realizar en este escenario serán en los enlaces troncales con las tecnologı́as IEEE 802.11 y NV2. Debido a que la distancia de los enlaces está determinada por la ubicación de las torres, sólo se podrán realizar medidas en los enlaces de 21.26 Km (BALSA17), 19.47 Km (BALSA7) y 28 Km (BALSA5). Figure 3.4: Ubicación de la red de Telemedicina de Balsapuerto del GTRPUCP/EHAS Para realizar estas pruebas se hará uso de las herramientas propietarias de Mikrotik como bandwith-test que permite hacer medidas rápidas de saturación en el enlace y traffic-generator que permite hacer una inyección de tráfico más elaborada, pudiendo escoger el tamaño de paquete, el número de paquetes por segundo, el protocolo de transporte, etc. Para asegurar la calidad de las medidas en este escenario, las pruebas se realizarán por la noche para minimizar el impacto en el servicio y mediante otras herramientas privadas de Mikrotik como spectral-scan y frequency-monitor se comprobará que el espectro está libre de interferencias indeseadas. 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS Figure 3.5: Detalle de la red rural de Balsapuerto del GTR-PUCP/EHAS durante 2014 63 64 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES Red de Telemedicina del Napo Esta red está detallada en las Figuras 3.6 y 3.7. Al igual que la red de Telemedicina de Balsapuerto, se trata de un conjunto enlaces montados con placas RouterBoard 493G y Alix 2d2. La red costa de 6 nodos principales, los cuales están ubicados en las localidades de Santa Clotilde, Tacsa Curacay, Negro Urco, Tuta Pisco, Huaman Hurco y Mazán. Cada una de las localidades está conectada a las demás mediante enlaces de larga distancia por medio de los equipos Mikrotik y se da servicio de tele-estetoscopı́a, telemicroscopı́a, teléfonico y de videoconferencia a los puestos de salud a través de enlaces WLAN por medio de las placas Alix. La red continua hasta Iquitos, la capital de la provincia, pero al existir una pasarela en Mazán sólo se ha considerado la red hasta esta localidad. Figure 3.6: Ubicación de la la red de Telemedicina del Napo del GTRPUCP/EHAS 957 9 67 8 *+ *+ , ).-./ 567 7+ 012 $ !"#$%#$& 7+ 012 #.,%34 $ !"#$%#$& '( ) *+ , #-./ 967 7+ !"#$#%#$#%#$#& 7 012 #.,%34 $ !"#$%#$& '( ) *+ , #-./ 8 *+ 9*+ , ).-./ 012 $ !"#$%#$& !"#$#%#$#%#$#& 567 8 *+ *+ , ).-./ 8 *+ *+ , ).-./ 7 #):: 012 #.,%34 $ !"#$%#$& '( ) *+ , #-./ .<.: #: 012 #.,%34 $ !"#$%#$& 97 #:;.<.:012 $ !"#$%#$& 5967 8 *+ *+ , ).-./ 5967 85 *+ *+ , ).-./ #):: 012 $ !"#$%#$& .<.: #: !"#$#%#$#%#$#& '( ) *+ , #-./ #):: 5 !"#$#%#$#%#$#& 7 .$: 012 #.,%34 $5 !"#$%#$&5 '( ) *+ # #-./ Figure 3.7: Detalle de la la red de Telemedicina del Napo del GTRPUCP/EHAS durante 2014 1## .<.:$#=.-: .::4# #$ .<.:$#=.-: :. #$5 8-: 5 .$ .<.:$5* 34 !"#$#%#$#%#$#& '( ) 9*+ # #-./ 567 8 *+ 9*+ , ).-./ .$: 012 $5 !"#$%#$&5 .<.:$ !"#$#%#$#& #$# 5 '(5 ) *+ , #-./ .$: 5 !"#$#%#$#%#$#&5 997 8-: 1## .<.:-.##=.-: #.,%*#.> #$ #$9 95 .$ ' $: 012 #.,%34 $ !"#$%#$& 8 *+ *+ , ).-./ $: 012 $ !"#$%#$& .<.:-.#5* 34 !"#$#%#$#& #$ '( ) *+ , #-./ $: !"#$#%#$#%#$#& 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS EXPERIMENTOS 65 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES 66 3.3 Realización de experimentos Una vez que se haya realizado el montaje fı́sico de los equipos y exista una correcta conectividad IP en rutas y direccionamiento, se procederá a configurar los equipos inalámbricos para las distintas pruebas. De esta configuración dependerán en gran medida los resultados obtenidos. En las Tablas 3.6, 3.7, 3.8 y 3.9 se muestran los parámetros que es posible configurar dados los equipos y las tecnologı́as disponibles. Dependiendo del equipo, esta configuración puede ser hecha por interfaz gráfica o lı́nea de comandos. Los equipos Mikrotik y AirMAX permiten una configuración por medio de la lı́nea de comandos especı́fica de RouterOS y AirOS respectivamente, ası́ como de una interfaz web. Las placas Alix, al esar basadas en sistemas GNU/Linux, se configuran a través de lı́nea de comandos shell, aunque es posible instalar software adicional para hacerlo de forma gráfica. Los equipos WiMAX de Albentia sólo pueden ser configurados de forma gráfica. Existe interfaz por lı́nea de comandos pero está reservada para el uso del fabricante. En el caso de ser necesario se podrı́a configurar el equipo automatizando las peticiones HTTP mediante un script. Los equipos VSAT no pueden ser configurados ya que cambiar los parámetros del enlace supondrı́a la des-sincronización con el Hub terrestre. La configuración del enlace es por tanto estática: S-DOCSIS 20+6 para para el Tooway en la banda Ka y DVB-2/IPoS 4+1 para el Hughes en la banda Ku. Sin embargo, es necesario una configuración especı́fica IP para poder hacer uso de los enlaces, la cual se muestra en la Tabla 3.9. Los módems pueden ser monitorizados mediante una plataforma web. Para el caso del terminal Tooway se accede a través del portal http: //checkportal.skylogicnet.com ubicado en la red remota del fabricante. Este equipo no tiene dirección IP propia al trabajar con S-DOCSIS y sólo puede se puede acceder a su portal de monitorización a través del terminal que se conecte detrás. Para el caso del Hughes, basta con introducir su ip http://194.179.19.89 en el navegador. Ambos enlaces son gestionados a través de Teléfonica Internacional TIWS. 3.3. REALIZACIÓN DE EXPERIMENTOS Parámetro SSID Mode RTS/CTS Canal/Frecuencia MCS Potencia Ancho de banda GI BlockAck Agregación de tramas Flujos espaciales IEEE 802.11n Identificador de 48 bits o string de la red inalámbrica. No afecta al rendimiento pero es necesario configurar para asociar los equipos a la misma WLAN. Modo de operación de la WLAN. Puede ser infraestructura o ad-hoc. El modo ad-hoc implicarı́a una ligera reducción de la sobrecarga en la red ya que no se envı́a paquetes baliza beacons. Sin embargo es más conveniente trabajar en modo infraestructura ya que permite un mejor control de la red. Es necesario seleccionar que nodo es AP y que nodo es STA. Permite habilitar o deshabilitar el mecanismo RTS/CTS de detección de nodos ocultos. Debido a que este mecanismo reduce el rendimiento y en una red de transporte con enlaces PtP los nodos están pre-establecidos esta opción irá deshabilitada. La frecuencia del canal se escogerá según una planificación que no tenga solapamientos espectrales. Se usarán canales de la banda de 5 GHz. Se trata del bitrate fı́sico a usar. Distintos MCS darán velocidades distintas y cada uno ha de ser configurado manualmente teniendo en cuenta la SNR necesaria para cada uno de ellos. Nivel de potencia con la que la tarjeta transmite. Un bajo nivel puede tirar el enlace y un alto nivel puede saturar el receptor. Es posible autoconfigurar el nivel de potencia mediante la opción Auto. Es el ancho de banda del canal. Pueden escogerse los valores de 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz y 40 MHz. Intervalo de guarda para OFDM. Por defecto se usa el largo (800 ns) pero puede escogerse también el corto (400 ns) para aumentar la tasa binaria fı́sica. Existe la posibilidad de activar o desactivar el mecanismo de BlockAck. Existe la posibilidad de activar o desactivar el mecanismo de agregación de tramas especificando el lı́mite máximo de agregación. Los equipos imponen un lı́mite 8192 bytes de agregación máxima. Configurando los parámetros tx-chains y rx-chains se pueden lograr configuraciones SISO o MIMO 2x1, 1x2 y 2x2. En este proyecto se considerarán sólo SISO y MIMO 2x2. Tabla 3.6: Parámetros PHY y MAC configurables en 802.11n 67 CHAPTER 3. METODOLOGÍA Y MATERIALES 68 Parámetro SSID Mode Canal/Frecuencia MCS Tamaño de trama Potencia Ancho de banda GI Flujos espaciales Distancia Máxima NV2 y AirMAX Identificador de 48 bits o string de la red inalámbrica. No afecta al rendimiento pero es necesario configurar para asociar los equipos a la misma WLAN. Modo de operación de la WLAN. Sólo es posible escoger el modo infraestructura cuando se eligen la capa MAC de NV2 y AirMAX. Es necesario seleccionar que nodo es AP y que nodo es STA. La frecuencia del canal se escogerá según una planificación que no tenga solapamientos espectrales. Se usarán canales de la banda de 5 GHz. Se trata del bitrate fı́sico a usar. Distintos MCS darán velocidades distintas y cada uno ha de ser configurado manualmente teniendo en cuenta la SNR necesaria para cada uno de ellos. Es la duración de la trama TDMA, pudiendo variar desde 1 ms hasta 10ms. Nivel de potencia con la que la tarjeta transmite. Un bajo nivel puede tirar el enlace y un alto nivel puede saturar el receptor. Es posible autoconfigurar el nivel de potencia mediante la opción Auto. Es el ancho de banda del canal. Pueden escogerse los valores de 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz y 40 MHz. Intervalo de guarda para OFDM. Por defecto se usa el largo (800 ns) pero puede escogerse también el corto (400 ns) para aumentar la tasa binaria fı́sica. En el caso de AirMAX sólo es posible usar un GI de 800ns. Configurando los parámetros tx-chains y rx-chains se pueden lograr configuraciones SISO o MIMO 2x1, 1x2 y 2x2. En este proyecto se considerarán sólo SISO y MIMO 2x2. Permite especificar la máxima distancia medida en metros a la que se encuentra la STA, de forma que se calcule el protocolo TDMA ajuste sus tiempos con el retardo de propagación. Tabla 3.7: Parámetros PHY y MAC configurables en NV2 3.3. REALIZACIÓN DE EXPERIMENTOS Parámetro Canal/Frecuencia Modulación Potencia Ancho de banda Duración de trama CP División UL/DL Distancia Máxima Definición flujos WiMAX La frecuencia del canal se escogerá según una planificación que no tenga solapamientos espectrales. Se usarán canales de la banda de 5 GHz. Bitrate fı́sico a usar. Distintas modulaciones darán velocidades distintas y cada uno ha de ser configurado manualmente teniendo en cuenta la SNR necesaria para cada uno de ellos. Nivel de potencia con la que la tarjeta transmite. Un bajo nivel puede tirar el enlace y un alto nivel puede saturar el receptor. Es posible autoconfigurar el nivel de potencia mediante la opción Auto. Es el ancho de banda del canal. Pueden escogerse los valores de 3 MHz, 7 MHz y 10 MHz. Define el tiempo de trama. Mayores tiempos impondrán mayores retardos, pero permitirán ofrecer mayor thoughput. Los valores disponibles son: 2.5 ms, 4 ms, 5 ms, 10 ms, 12.5 ms y 20 ms. Prefijo cı́clico para OFDM. Los valores disponibles son: 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32 Porcentaje de ancho de banda asignado al uplink y al downlink. Por defecto 50%. Este parámetro permite especificar la máxima distancia medida en metros, de forma que se calcule el tiempo de Ranging de forma precisa. En WiMAX es necesario definir el número de flujos en la BS tanto de UL como de DL. Es necesario también especificar el tipo de clase de servicio del flujo (UGS, rtPS, BE, etc.) y sus correspondientes parámetros de QoS. Tabla 3.8: Parámetros PHY y MAC configurables en WiMAX Parámetro Tooway Ka-band Hughes Ku-band Configuración IP Ip terminal 185.15.101.111 por DHCP 194.179.19.88/252 Estática Tabla 3.9: Configuración IP en los equipos VSAT 69 Chapter 4 Caracterización de enlaces inalámbricos IEEE 802.11 En este capı́tulo se estudiarán las tecnologı́as relativas a IEEE 802.11, intentando dar una predicción lo más precisa posible de los valores de throughput, latencia, jitter y pérdida de paquetes que da un enlace de este tipo. Debido a que las implementaciones privadas no permiten un estudio detallado, NV2 y AirMAX sólo serán estudiadas de forma empı́rica. Se caracterizará la familia de estándares IEEE 802.11 de forma detallada, pero se pondrá énfasis en el último estándar vigente IEEE 802.11n, pues se considera que no existen claras ventajas de usar las anteriores versiones IEEE 802.11 a/b/g. 4.1 Modelado teórico IEEE 802.11 El funcionamiento de IEEE 802.11 y su capa MAC basada en CSMA/CA ha sido estudiada con anterioridad por numerosos autores. Como se mencionó en el Capı́tulo 2.2, hasta la fecha el estudio más fiel a la realidad parece ser [18], derivado de anteriores trabajos como [16] y [17]. Uno de los autores, Bianchi, propone un modelo analı́tico basado en cadenas de Markov para estudiar DCF. Este modelo permite estimar los valores de throughput cuando el enlace esta en saturación independientemente de la capa fı́sica, algo muy conveniente en este tipo de tecnologı́as debido a que la existencia de colisiones y retransmisiones hace que las diferencias de tasa binara ofrecidas por la capa MAC y PHY sean muy distintas. Este modelo asume que la probabilidad condicional de colisión para un nodo no depende de el número de retransmisiones y que los nodos siempre tienen un paquete disponible para ser transmitido. Estas asunciones hacen que este modelo no sea adecuado para obtener resultados cuando el enlace esta por debajo del punto 71 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 72 de saturación. Trabajar en saturación es muy poco recomendable debido a que la probabilidad de colisión se dispara, se incrementa el número de retransmisiones y el retardo se incrementa en varios órdenes de magnitud. Sin embargo es una herramienta muy útil para establecer lı́mites de throughput y realizar comparaciones con simulaciones y medidas reales. Para enlaces IEEE 802.11 basados en CSMA/CA, en [33] se modificó y analizó el modelo para enlaces de larga distancia donde el tiempo de propagación no es despreciable. Estas modificaciones consisten principalmente en modificar el SlotTime y el AckTimeout según Ec 4.1 y Ec 4.2 respectivamente: σd = σST D + 2δp (4.1) ACKT imeout = SIF S + σST D + 2δp + P LCP (4.2) Donde el SlotTime optimizado para una distancia d, σd , es igual al valor del SlotTime estándar σST D más dos veces el tiempo de propagación δp . En la definición de AckTimeout, PLCP es lo que dura la transmisión del preámbulo y la cabecera PLCP. De esta manera realizando estos ajustes, y otros menores detallados en [33], el modelo de Bianchi [18] es válido también para largas distancias. El modelo define dos ecuaciones fundamentales, la que define la probabilidad de que una estación transmita en un determinado slot Eq. 4.3 y la probabilidad de colisión condicional Eq. 4.4: τ= 1 j j 1−p 1+ p (2 W − 1) − 2(1 − pR+1 ) (4.3) (1−p) 2 p = 1 − (1 − τ )n−1 (4.4) En la Eq. 4.2 se consideran W, el tamaño máximo de la ventana de contención, y R, el número de retransmisiones antes de descartar el paquete, como valores constantes. Estas dos ecuaciones puede ser resueltas numéricamente y sus resultados se muestran en la Tabla 4.1, la cual muestra los valores de p y τ para distintos valores de W y considerando R = 7 en enlaces punto a punto ( 2 estaciones ) y sin el modo RTS/CTS. W = 32 n=2 τ 0.0585 p 0.0585 W = 16 τ p 0.1090 0.1090 W =8 τ 0.1886 p 0.1886 W =4 τ 0.2898 p 0.2898 Tabla 4.1: Valores para τ y p en el modelo teórico de IEEE 802.11 4.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.11 73 Para el cálculo de τ y p se asume un canal ideal que introduce una tasa de error de paquete (PER) igual a cero. Si asumimos que para canales no ideales que introducen errores con una determinada PER, el efecto que produce un error en un paquete y el que produce una colisión es el mismo, se puede obtener p redefiniendo la Eq. 4.4 en la Eq 4.5. De esta manera, p pasa a ser la probabilidad condicional de que un paquete deba ser retransmitido, ya sea a causa de una colisión o por un error existente en el paquete. p = (1 − (1 − τ )n−1 )(1 − P ER) + P ER. (4.5) Aplicando una P ER = 0.1 los valores de p y τ para distintos valores de W se muestran en la Tabla 4.2 para el caso de dos estaciones. W = 32 n=2 τ 0.0957 p 0.1861 W = 16 τ p 0.0516 0.1464 W =8 τ 0.1651 p 0.2486 W =4 τ 0.2563 p 0.3307 Tabla 4.2: Valores para τ y p en el modelo teórico de IEEE 802.11 aplicando una PER de 0.1 A partir de estos valores analı́ticos y siguiendo las recomendaciones de [33] para aplicar el modelo de Bianchi [18] en enlaces de larga distancia, el throughput de saturación viene dado por la Eq. 4.6: Ps · E[P ] WW−1 S= (1 − Pb )σd + Ps · E[Ts ] + (Pb − Ps ) · E[Tc ] (4.6) Donde σd (Eq. 4.1) es el SlotTime optimizado, Pb (Eq 4.7) es la probabilidad del canal de estar ocupado en un determinado SlotTime y Ps (Eq 4.8) es la probabilidad de que en un SlotTime haya una transmisión exitosa. Pb = 1 − (1 − τ )n (4.7) Ps = nτ (1 − τ )n−1 (4.8) Las variables E[P ], E[Ts ] y E[Tc ] son el tamaño medio de paquete, el tiempo medio de una transmisión exitosa y el tiempo medio de duración de una colisión respectivamente, y dependen del tiempo de propagación. Eq. 74 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 4.9 y Eq. 4.10 definen E[Ts ] y E[Tc ] respectivamente cuando no se usa el modo RTS/CTS: E[Ts ] = σd + ( W )[TM P DU + SIF S + TACK + DIF S + 2δp ] W −1 E[Tc ] = σd + [TM P DU + SIF S + TACK + DIF S + δp ] (4.9) (4.10) Si se supone un canal ideal, el throughput calculado con la Eq. 4.6 será necesariamente menor. Sin embargo, como se detalla en [35], las disminución de throughput debida a errores en los paquetes es prácticamente nula para valores de P ER ≤ 0.1. Para valores mayores de PER, generalmente los sistemas de adaptación dinámica reducen la modulación para disminuir las pérdidas por errores, por lo que los efectos que los canales no-ideales introducen, no suelen influir significativamente en el throughput en la mayorı́a de los escenarios. El modelo también permite obtener el retardo en saturación D (Eq. 4.11), el cual representa el tiempo medio que un paquete ha de esperar para que sea correctamente recibido en el otro extremo. Este retardo depende de tiempo de transmisión, del tiempo de propagación, del tiempo retardo introducido por el mecanismo CSMA/CA y el retardo de encolamiento. D= N · W (1 − PLOSS ) S(W − 1) (4.11) Donde PLOSS es la probabilidad de pérdida de paquete obtenida a través de la cadena de Markov. En saturación, el retardo de encolamiento es varios órdenes de magnitud superior al resto de retardos, por lo que supone la componente principal para calcular el retardo de saturación. Este retardo viene impuesto por el nivel superior por lo que analizar el retardo a nivel MAC con el modelo de Bianchi no aporta información relevante. Para modelar el retardo en condiciones de no-saturación es posible usar otros modelos como el de [36]. Sin embargo según este modelo se observa que para valores normales de W el retardo será del orden de 5 ms y de 10 ms cuando usan los valores más pequeños posibles de W , variando muy poco con la distancia. Por lo tanto, para realizar una caracterización del enlace útil el único análisis de retardo que se realizará será el relativo al encolamiento impuesto por los niveles superiores, siendo este el que más influye en el retardo medio en condiciones de saturación y casi nulo en condiciones de no-saturación. Esto implica que para limitar el retardo a un valor solamente tenemos dos opciones: - Variar la relación entre carga ofrecida y throughput máximo para obligar a que el enlace trabaje en condiciones de no-saturación y por lo tanto obtener retardos medios de aproximadamente 5∼10 ms . 4.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.11 - Variando el tamaño de las colas se podrá modelar con gran flexibilidad la retardo máximo permitido, sin embargo esto implicarı́a necesariamente aumentar el porcentaje de paquetes descartados. El hecho de que se descarten paquetes provocará en el tráfico TCP, dependiendo de su versión, una reducción de tasa más o menos drástica debido los mecanismos de ventana de congestión. Sin embargo, para aquel tráfico que trabaje con UDP, el descarte de paquetes influirá muy negativamente debido a que no existen mecanismos de prevención de congestión. Por este motivo se considerará siempre que la forma de limitar el retardo será a través de limitar la carga ofrecida. Respecto al jitter, en IEEE 802.11 no existen modelos que lo analicen adecuadamente; por lo tanto, será caracterizado a través de simulaciones y experimentos. 4.2 Validación del simulador ns-3 para IEEE 802.11 El simulador nos permitirá contrastar los valores obtenidos con el modelo y las pruebas experimentales y aportar nueva información en aquellas situaciones en que tanto el modelo y los experimentos no pueden ser usados. Las simulaciones se basarán generalmente en la inyección de flujos bidireccionales UDP entre el AP y la STA durante 15 segundos cada una. Aunque la tasa de inyección puede ir variando siguiendo un determinado proceso estocástico, se considerará constante estableciendo un determinado tamaño de paquete. Por lo tanto, para variar la carga de un enlace será necesario realizar simulaciones con distintos valores de inyección repetidamente con la precisión requerida en cada simulación. La capa MAC se configurará en modo infraestructura, estableciendo una MTU lo suficientemente grande para evitar la fragmentación y deshabilitando el mecanismo de RST/CTS. También se establecerá un AckTimeout adecuado para mantener la eficiencia al máximo. El resto de parámetros podrán ser configurados (SlotTime, SIFS, DIFS, etc.) para configurar cada uno de los estándares. En la capa PHY también se variarán distintos parámetros (tasa binaria, ancho de banda, duración del GI, etc.) y se considerará una RSSI constante de 0dBm para obviar aspectos del balance del enlace. Antes de comenzar con la caracterización de los enlaces WiFi es necesario realizar pruebas para comprobar la validez del simulador. Concretamente se comprobarán los efectos de la distancia en el comportamiento del enlace tanto cualitativa (comprobando los distintos efectos y su forma) como cuantitativamente (comprobando que los valores se ajustan a la realidad). Por último se comprobará si los valores de throughput, latencia, jitter y 75 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 76 pérdida de paquetes son acordes lo esperado para distintos niveles de carga de un enlace. Para ello se realizarán 4 pruebas: 4.2.1 Dependencia con la distancia Cuando aumentamos la distancia en un enlace IEEE 802.11 cambian dos parámetros: el nivel de potencia recibida en el receptor y el retardo de propagación. Como queremos centrarnos en los efectos de la distancia en el mecanismo CSMA/CA, se va a ignorar temporalmente el balance del enlace y se va a asumir un canal fı́sico ideal (sin errores y RSSI = 0dBm ) y, por lo tanto, sólo se va a considerar la variación del tiempo de propagación. Cuando simulamos un enlace cuyo SlotTime es constante y vemos como se comporta con la distancia esperarı́amos ver una curva de trhoughput de saturación como la mostrada en la Figura 4.1. Figure 4.1: Relación del throughput con la distancia para la tasa Ofdm6Mbps de 802.11a en ns-3 con el σd = 20 ns Se trata de una simulación de un enlace punto a punto 802.11a a una tasa fı́sica de 6 Mbps al que se le inyecta un flujo bidireccional UDP en saturación con un tamaño de paquete de 1500 bytes a nivel IP. La duración del SlotTime es de 20 μs y el AckTimeout está configurado según la Ec. 4.1. Como se esperaba, el throughput total obtenido se reduce con la distancia debido los efectos del aumento del retardo de propagación en DCF. En esta Figura 4.1 y también en 4.2 y 4.3, se aprecia una pequeña irregularidad en la curva de throughput de saturación con forma de ”escalera”. Esto refleja que DCF está siendo bien simulado, ya que esto es debido a que, cuando el 4.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.11 SlotTime es constante con la distancia, a algunas distancias su valor es igual a un múltiplo del intervalo de vulnerabilidad (VI). Si el AckTimeout no es configurado adecuadamente usando la Ec. 4.2, por ejemplo fijándolo al valor estándar, se apreciará el efecto de que todos los ACK llegarán sistemáticamente tarde, serán descartados y se retransmitirán innecesariamente hasta alcanzar el lı́mite de transmisiones (por defecto 7). Cuando sucede esto, el enlace sigue funcionando, pero el rendimiento cae hasta niveles del 10% del esperado. La Figura 4.2 muestra este efecto para las distintas tasas en 802.11b con un AckTimeout ajustado para 28 Km y la Figura 4.3 ilustra como varı́a la curva de throughput de saturación en la tasa fı́sica 6 Mbps de 802.11a para distintos valores de AckTimeout. En las figuras se aprecia que la eficiencia del enlace cae drásticamente hasta niveles del 10% y que lo hace a distintas distancias según el valor del AckTimeout. Figure 4.2: Efecto del AckTimeout en IEEE 802.11b en el simulador ns-3 para los distintos bitrates 77 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 78 Figure 4.3: Efecto del AckTimeout para distintos valores en IEEE 802.11a en el simulador ns-3 con el bitrate Ofdm6Mbps 4.2.2 Fidelidad con el modelo Siguiendo las indicaciones de [33], para obtener un óptimo rendimiento, el valor de SlotTime ha de variar con la distancia según la Ec. 4.1 y el valor del AckTimeout debe de ser configurado como en Ec. 4.2. Si hacemos esto evitaremos el efecto escalera provocado por el VI a algunas distancias y evitaremos la caı́da drástica del rendimiento a partir de una distancia. En la Figura 4.4 se muestra el throughput de saturación del enlace aplicando estos cambios y se compara con el que da el modelo teórico de [33]. La comparación es para el MCS7 de IEEE 802.11n con flujos bidireccionales UDP de paquetes de 1400 bytes y sin mecanismos de agregación de tramas. La Figura 4.4 muestra una gran similitud entre ambas curvas, estando el error comprendido entre el ± 2%. Esto quiere decir que se obtendrán valores con un error equivalente en el resto de las pruebas. Por último, la Figura 4.5 muestra otra forma de ver el comportamiento del enlace con la distancia. Si variamos el SlotTime de forma discreta, sin tener en cuenta la Eq. 4.1, obtendremos un resultado similar al mostrado, donde para distintas distancias existe un valor óptimo de SlotTime. 4.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.11 Figure 4.4: Comparación del modelo con el simulador ns-3 de IEEE 802.11n con MCS7 Figure 4.5: Variación del Throughput de saturación para distintos valores de SlotTime a determinadas distancias en IEEE 802.11g Para la Figura 4.5, se ha simulado un enlace de IEEE 802.11g con una tasa fı́sica de Erp 12 Mbps al que se le ha inyectado tráfico bidireccional UDP de tamaño de paquete 1500 bytes. 4.2.3 Estudio del punto de saturación Una de las ventajas de las simulaciones frente al modelo es que proporcionan los parámetros de throughput, latencia, pérdida de paquetes y jitter para distintos puntos de carga en el enlace y lo hacen de manera mucho más rápida 79 80 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 que con experimentos reales. Por lo tanto, comprobar el buen funcionamiento de las curvas de carga en los enlaces es de vital importancia. Para comprobar esto, las Figuras 4.6, 4.7,4.8 y 4.9 muestran el valor de estos parámetros en función de la carga. La simulación consiste en un enlace a distancia cero de IEEE 802.11n con MCS0 al que se le inyecta tráfico UDP bidireccional con un tamaño de paquete de 1500 bytes sin mecanismos de agregación de tramas. Figure 4.6: Throughput para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 En la Figura 4.6 se aprecia claramente como el throughput responde linealmente a la carga hasta el punto de saturación, donde se produce un pequeño máximo y a partir del cual la respuesta no lineal se traduce en un throughput constante independientemente de la carga. Este pequeño pico sólo aparece en enlaces bidireccionales, no siendo apreciable en enlace con flujos unidireccionales ya no existen colisiones en el punto de saturación. En este caso en el que se simula un MCS0, el punto de saturación está situado en torno a 5.75 Mbps, que es acorde con el valor de throughput de saturación dado por el modelo teórico, y será el mayor valor de throughput posible en el enlace. En la Figura 4.7 se ilustra el valor del retardo en este mismo enlace cuando se varı́a la carga. Existe un gran incremento del retardo cuando se carga el enlace a partir de 5.4 Mbps aproximadamente. Por debajo de este punto, al que nos referiremos como punto de retardo acotado, se obtendrán retardos muy bajos del orden de 2 ms aproximadamente. Sin embargo, el retardo se estabiliza en valores del orden de segundos cuando se supere este punto de carga, debido al descarte de paquetes en las colas. Existe una zona de la curva que varı́a enormemente con pequeños incrementos de carga. Esta es la 4.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.11 zona que va desde 5.4 Mbps, el punto de retardo acotado, hasta 5.75 Mbps, el punto de saturación. La relación entre estos dos puntos, de 0.93% para este caso de distancia 0 Km y MCS0, es muy importante a la hora de dimensionar los enlaces y varia mucho con la distancia y la modulación cuando se trabaja con la capa CSMA/CA de IEEE 802.11. De igual manera que el retardo se dispara a partir del punto de retardo acotado, también se dispara el jitter y la pérdida de paquetes. Ası́ lo muestran las Figuras 4.8 y 4.9 Figure 4.7: Latencia para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 Figure 4.8: Jitter para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 81 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 82 Figure 4.9: Paquetes perdidos para distintos puntos puntos de carga en un enlace IEEE 802.11n con MCS0 Mientras que vemos que el jitter posee un comportamiento similar al retardo, con valores de jitter en saturación de unos 2 o 3 segundos, el número de paquetes perdidos en situación de saturación sufre un comportamiento prácticamente lineal, en el que, debido a que las colas están llenas, a mayor carga, mayor número de paquetes perdidos. Aunque en primera instancia puede parecer conveniente trabajar en el punto de saturación para obtener el mayor throughput en el enlace, la realidad es que siempre será conveniente trabajar por debajo de él, concretamente siempre por debajo del punto de retardo acotado. De esta forma sacrificando una parte del thrughput, el retardo, jitter y porcentaje de paquetes perdidos estará estabilizado en valores bajos y, por lo tanto, el rendimiento del enlace será bueno. 4.3 Resultados para IEEE 802.11a/b/g Una vez que el simulador ns-3 ha sido validado como herramienta para caracterizar los enlaces IEEE 802.11 se procederá a simular el rendimiento de los distintos estándares. Debido a que actualmente IEEE 802.11n es el estándar con más vigencia y ofrece mejores prestaciones que a/b/g, será el analizado con más detalle. El resto de estándares IEEE 802.11a/b/g serán vistos en términos de throughput ofrecido, dejando los análisis de retardo, jitter y pérdida de paquetes para IEEE 802.11n. 4.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.11A/B/G 4.3.1 83 IEEE 802.11a Como ya se ha descrito en la tabla 2.4 del Capı́tulo 2.2.2, IEEE 802.11a usa una capa fı́sica OFDM en la banda de los 5 GHz y los parámetros MAC especı́ficos definidos para este estándar a distancia cero son: Parámetro Slot Time SIFS DIFS Preámbulo Cabecera PLCP Max Tamaño Trama 802.11a 20 μs 16 μs 34 μs 16 μs 4 μs 4095 bytes Tabla 4.3: Parámetros MAC para OFDM en IEEE 802.11a Con estos valores y añadiendo las modificaciones que propone el modelo de [33], se ha simulado el enlace 802.11 y obtenido su throughput de saturación para los distintos bitrates usando paquetes de tamaño 1400 bytes a nivel IP. A modo de comparación, la Figura 4.10 muestra los valores arrojados por el modelo y la Figura 4.11 los valores del simulador. Figure 4.10: Valores de throughput de saturación en 802.11a obtenidos con el modelo teórico 84 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.11: Valores de throughput de saturación en 802.11a obtenidos con el simulador En ambas figuras vemos una gran similitud, lo que quiere decir que tanto el modelo como la implementación del mecanismo CSMA/CA en el simulador son correctos. En ambas representaciones se puede comprobar como los bitrates más elevados dan throughputs mucho más altos que los bitrates más bajos a corta distancia. Por ejemplo el bitrate 54 Mbps a distancia cero da un throughput de hasta 6 veces más que el throughput dado por el bitrate 6 Mbps. Sin embargo esta diferencia es cada vez menor cuanto mayor es la distancia. Esto provoca que dicha diferencia se reduzca a sólo el doble para una distancia de 40 Km. Debido a la sobrecarga que introduce la capa PHY y MAC en 802.11a el throughput obtenido depende mucho del tamaño de paquete, siente este mayor cuando más grande es el paquete. Por este motivo se han probado también distintos tamaños de paquete a dos distancias: a 20 Km ilustrado en la Figura 4.12 y a 40 Km ilustrado en la Figura 4.13 Las Figuras 4.12 y 4.13 muestran como mayores throughputs se obtienen con tamaños de paquete grandes, notándose más la mejora en los bitrates más altos. En 802.11a el máximo valor permitido es 4095 bytes, pero generalmente los tamaños no sobrepasarán los 1500 bytes debido a que es la MTU que generalmente se usa en IP. Sin embargo, el tráfico no siempre estará formado por paquetes grandes, sino que en muchos casos el tráfico a cursar será de menos de 200 bytes por paquete, como por ejemplo tráfico VoIP. En este caso se puede ver que la eficiencia del enlace será menor para este tipo de paquetes pequeños, especialmente a grandes distancias. 4.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.11A/B/G Figure 4.12: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11a a una distancia de 20 Km Figure 4.13: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11a a una distancia de 40 Km 4.3.2 IEEE 802.11b Junto con IEEE 802.11a, IEEE 802.11b conforma el estándar original de WiFi. Como se describe en el Capı́tulo 2.2.2, no sólo trabaja en otra banda de frecuencia, 2.4 GHz, y otro ancho de banda de canal, 22 MHz, si no que 85 86 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 además la capa PHY es totalmente distinta a la de 802.11a al usar DSSS en lugar de OFDM. Los párametros MAC IEEE 802.11b también son distintos y se muestran en la Tabla 4.4: Parámetro Slot Time SIFS DIFS Preámbulo + Cabecera PLCP (corto) Preámbulo + Cabecera PLCP (largo) Max Tamaño Trama 802.11b 20 μs 10 μs 50 μs 96 μs 192 μs 4095 bytes Tabla 4.4: Parámetros MAC para DSSS en IEEE 802.11b IEEE 802.11b es el único estándar de la familia que usa DSSS y esto se traduce que es el que tiene menores bitrates a nivel fı́sico. Aunque inicialmente tenı́a ventajas en algunos escenarios densamente poblados y con mucha interferencias, actualmente el resto de versiones del estándar ofrecen las mismas garantı́as con OFDM pero a la vez dando mayores throughputs. Como se aprecia en la Figura 4.14, resultados teóricos, y la Figura 4.15, resultados de simulación, los mayores throughputs obtenidos no llegan a 7 Mbps. También se puede observar como las diferencias entre el mayor y el menor bitrate fı́sico se reducen drásticamente con la distancia. Figure 4.14: Valores de throughput de saturación en 802.11b obtenidos con el modelo teórico 4.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.11A/B/G Figure 4.15: Valores de throughput de saturación en 802.11b obtenidos con el simulador Al igual que en 802.11a se muestran en la Figura 4.16 y la Figura 4.17 la evolución del throughput con el tamaño de paquete para 20 Km y 40 Km respectivamente. Figure 4.16: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11b a una distancia de 20 Km 87 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 88 Figure 4.17: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11b a una distancia de 40 Km 4.3.3 IEEE 802.11g IEEE 802.11g es la última versión de los estándares antiguos que se ha revisado. Este estándar trabaja solamente en la banda de los 2.4 GHz y por lo tanto mantiene la compatibilidad con 802.11b. Sin embargo añade una nueva capa PHY basada en OFDM con caracterı́sticas similares a las de 802.11a. Los parámetros MAC de 802.11g se muestran en la Tabla 4.5 Parámetro 802.11g DSSS Slot Time SIFS DIFS Preámbulo + Cabecera PLCP (corto) Preámbulo + Cabecera PLCP (largo) Max Tamaño Trama 20 μs 10 μs 50 μs 96 μs 192 μs 4095 bytes 802.11g ErpOFDM 9 μs 10 μs 28 μs 20 μs 4095 bytes Tabla 4.5: Parámetros MAC para OFDM y DSSS en IEEE 802.11g Al igual que antes, en la Figura 4.18 y en la Figura 4.19 se muestran el throughput de saturación predicho por el modelo teórico y el arrojado por las simulaciones respectivamente. 4.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.11A/B/G Figure 4.18: Valores de throughput de saturación en 802.11g obtenidos con el modelo teórico Figure 4.19: Valores de throughput de saturación en 802.11g obtenidos con el simulador Y como se ha hecho con 802.11a y 802.11b también se muestra información en la Figura 4.20 y la Figura 4.21 sobre el efecto del tamaño de paquete en el throughput de saturación para las distancias de 20 Km y 40 Km respectivamente. En ambas figuras se muestran comportamientos prácticamente idénticos a los descritos en los anteriores estándares. 89 90 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.20: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11g a una distancia de 20 Km Figure 4.21: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11g a una distancia de 40 Km 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N 4.4 91 Resultados para IEEE 802.11n Como en IEEE 802.11a/b/g, se caracterizado el throughput de saturación, tanto mediante el modelo como mediante el simulador. Los resultados se muestran en las Figuras 4.22 y 4.23. Se han considerado para el modelo y las simulaciones los parámetros del estándar reflejados en la Tabla 4.6 y se han usado paquetes de 1400 bytes a nivel IP sin hacer uso de agregación de tramas. Parámetro Slot Time RIFS/SIFS DIFS PIFS Cabecera PLCP Max Tamaño Trama 2.4 GHz 9 μs 2 μs 20 μs 11 μs 20 bytes 65535 bytes Tabla 4.6: Parámetros MAC en IEEE 802.11n Figure 4.22: Valores de throughput de saturación en 802.11n obtenidos con el modelo teórico 92 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.23: Comparación de throughput de saturación en 802.11n obtenidos con el modelo teórico, el simulador y experimentos a distancia cero En este caso, se han complementado los resultados añadiendo en la Figura 4.23 algunas medidas experimentales a distancia cero con los equipos Mikrotik para MCS0, MCS7, MCS8 y MCS15. También se han realizado medidas experimentales de saturación para las demás modulaciones, las cuales se reflejan en la Tabla 4.7. Al igual que en el simulador, estas pruebas se han realizado con flujos UDP bidireccionales de tamaño de paquete 1400 Bytes sin técnicas de agregación de trama. Mbps MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS15 Modelo 5.522 10.223 14.272 17.797 23.634 28.270 30.247 32.040 10.577 50.335 Simulador 5.655 10.393 14.460 17.944 23.668 28.003 29.846 31.555 10.393 42.269 Medidas 5.535 10.023 13.779 17.320 23.009 27.412 29.042 31.526 10.434 40.750 Tabla 4.7: Throughput de saturación obtenidos mediante el modelo, el simulador y experimentos para distintas modulaciones en 802.11n 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N También se ha hecho un análisis del efecto del tamaño de paquete en el throughput de saturación para 20 Km ,Figura 4.24, y 40 Km, Figura 4.25. Como pasaba con los anteriores estándares, cuanto mayor sea el tamaño de paquete mayor eficiencia en el enlace. Figure 4.24: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11n a una distancia de 20 Km Figure 4.25: Valor del throughput de saturación para distintos tamaños de paquete en 802.11n a una distancia de 40 Km 93 94 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 IEEE 802.11n incluye técnicas de mejora de la capa MAC como BlockAck y Agregación de tramas. Son dos técnicas que buscan aumentar la eficiencia del enlace a través de reducir la sobrecarga de cabeceras y el número de transmisiones de mensajes ACK. Mientras que el mecanismo de BlockAck consiste en enviar seguidamente hasta un máximo de 42 tramas normales (tı́picamente de 1500 bytes) en bloque y esperar confirmación del conjunto, la agregación de tramas consiste en enviar una sola trama agregada de un tamaño máximo de 65535 bytes que es enviada y confirmada como una trama normal. Para ilustrar los efectos de el BlockAck y de la agregación de tramas se muestran en la Figura 4.26 y Figura 4.27 el throughput de saturación obtenido para MCS0 y MCS7 y se compara cuando no se realizan técnicas ni de BlockAck ni de agregación de tramas. Ambas Figuras 4.26 y 4.27 muestran que existe una gran mejora del throughput cuando se aplican estas técnicas. Sin embargo, de entre las dos , con la agregación de tramas se obtienen mejores resultados. Esto es debido en gran parte a la reducción de sobrecarga por cabeceras que existe en la agregación de tramas y que no existe en el BlockAck. Figure 4.26: Comparación del throughput de saturación obtenido con BlockAck, con agregación de tramas y sin BlockAck ni agregación de tramas en el MCS0 de IEEE 802.11n 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N Figure 4.27: Comparación del throughput de saturación obtenido con BlockAck, con agregación de tramas y sin BlockAck ni agregación de tramas en el MCS7 de IEEE 802.11n Por este motivo se aprecia más la diferencia en el MCS7, debido a que ciertos campos de la cabecera PHY se envı́an en modulaciones básicas, y una reducción de éstas, implica un aumento total del throughput. En modulaciones bajas, la diferencia es más pequeña y se debe simplemente a la reducción de bytes de cabecera transmitidos. Debido a que son dos técnicas exclusivas y no se puede aplicar simultáneamente, generalmente siempre convendrá usar en la medida de lo posible la agregación de tramas frente al BlockAck. Para mostrar más en detalle cómo influye la agregación de tramas se muestra en la Figura 4.28 y 4.29 el throughput de saturación con distintos tamaños de trama agregada para MCS0 y MCS15 respectivamente. Se han incluido resultados a distintas distancias 0, 15 y 30 Km, para anchos de banda de 20 MHz y 40 MHz y para GI de 400 y 800 ns (Short GI y Long GI). La Figura 4.28 y 4.29 muestran claramente que el uso de agregación de tramas mitiga en parte los efectos adversos de la distancia. Por ejemplo para MCS0 se observa que para las 3 distancias 0 Km(colores rojos), 15 Km (colores azules) y 30 Km (colores verdes), si con tamaños grandes de trama agregada los valores de throughput son muy similares. 95 96 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.28: Evolución del throughput de saturación para distintos tamaños de trama agregada a distancias de 0, 15 y 30 Km y distitnas configuraciones con MCS0 Figure 4.29: Evolución del throughput de saturación para distintos tamaños de trama agregada a distancias de 0, 15 y 30 Km y distitnas configuraciones con MCS15 Este efecto es menor en MCS15, pero se aprecia claramente cómo el aumento del tamaño de la trama agregada eleva el throughput en todos los casos. Sin embargo, la mayorı́a de los equipos comerciales actualmente soportan hasta 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N un tamaño máximo de 8192 bytes para la agregación de tramas. Por este motivo, en los siguientes análisis se considerarán para IEEE 802.11n, el uso de agregación de tramas hasta un máximo de 8192 bytes. Los efectos de la agregación de tramas no se notan solamente en el throughput del enlace, sino también en el resto de parámetros como la latencia, el jitter y la pérdida de paquetes. Para caracterizar los efectos de la agregación, se han realizado diversas simulaciones variando el nivel de agregación, la distancia, la modulación y la carga del enlace. Se ha usado un flujo bidireccional UDP de tamaño de paquete de 1400 bytes, usando un enlace de 20 MHz de ancho de banda y GI = 800ns. Estas simulaciones han dado esclarecedora información sobre cómo se comporta un enlace de larga distancia en términos de QoS. Para ilustrar esto, se muestran las Figuras 4.30 y 4.31 que corresponden al throughput de saturación obtenido cuando se varı́a la distancia a distintos niveles de agregación para MCS0 y MCS7 respectivamente. La agregación de tramas en este caso se muestra en términos de niveles de agregación. Esto es, considerando paquetes de tamaño 1400 bytes a nivel IP, el nivel de agregación N como el número de paquetes agregados en una trama, siendo el valor máximo N = 6 debido a la imposición de tamaño máximo de trama agregada de 8192 bytes. Figure 4.30: Variación del throughput de saturación con la distancia para distintos niveles de agregación en MCS0 97 98 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.31: Variación del throughput de saturación con la distancia para distintos niveles de agregación en MCS7 Como se ha visto en las Figuras 4.28, 4.29, también las Figuras 4.30, 4.31 ilustran cómo la agregación de tramas mitiga el efecto pernicioso de la distancia en el throughput de saturación, apreciándose sobre todo en el MCS7, ya que a distancia cero la diferencia de throughput entre N=1 y N=6 es de 1.7 veces, mientras que a una distancia de 60 Km la diferencia es de 5 veces aproximadamente. Por otro lado, las Figuras 4.32, 4.34 y 4.36 corresponden a la latencia, el jitter y las pérdidas de paquetes obtenidas en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 cuando se varı́a la carga del enlace. De igual manera las Figuras 4.33, 4.35 y 4.37 que corresponden a la latencia, el jitter y las pérdidas de paquetes obtenidas en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 cuando se varı́a la carga del enlace. Esta variación de la carga del enlace viene expresada en porcentaje, asignando 0% a niveles nulos de carga y 100% a cuando la carga es igual a la tasa fı́sica del enlace. De esta manera en MCS0 el 100% corresponderı́a a una carga 6 Mbps y en MCS7 a una carga de 65 Mbps. 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N Figure 4.32: Evolución del retardo con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 Figure 4.33: Evolución del retardo con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 En ambas Figuras 4.32 y 4.33 se aprecia como varı́a el punto de retardo acotado cuando se varı́a el nivel de agregación de tramas. Esto es debido a que a mayor agregación, el punto de saturación del enlace se eleva, y por lo tanto también lo hace el de retardo acotado. Esto se puede reflejar en que si queremos mantener el retardo acotado, por ejemplo en el enlace de 99 100 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 30Km con MCS7, la carga máxima a introducir será de aproximadamente el 5% de la tasa fı́sica, unos 3 Mbps. Sin embargo, si aumentamos el nivel de agregación a N = 6, el retardo se mantendrá acotado hasta el 30% de carga, es decir unos 19 Mbps. Ciertamente el enlace podrı́a entregar mayor throughput como se ha visto en la Figura 4.31, sin embargo el retardo en este caso serı́a de más de 1 segundo. Figure 4.34: Evolución del jitter con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 Figure 4.35: Evolución del jitter con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N Las Figuras 4.34 y 4.35 muestran la evolución del jitter con la carga. Por un lado, la Figura 4.34 sigue el patrón esperado, con valores de jitter muy bajos por debajo del punto de retardo acotado. Sin embargo, en la Figura 4.35 el jitter independientemente de la carga es varios milisegundos. Esto es debido a que el punto de de retardo acotado se sitúa más bajo en la curva de carga, y el jitter crece antes de alcanzarse dicho punto. Figure 4.36: Evolución de la pérdida de paquetes con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS0 Figure 4.37: Evolución de la pérdida de paquetes con la carga para distintos niveles de agregación en un enlace de 30 Km funcionando con MCS7 101 102 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Por último, en las Figuras 4.36 y 4.37 se aprecia también como las pérdidas empiezan a crecer linealmente a partir del punto de retardo acotado. De todas las simulaciones realizadas es posible observar que la ubicación del punto de retardo acotado del enlace varı́a según la distancia y la agregación, desplazándose hacia porcentajes bajos cuando la distancia crece y la agregación se reduce y hacia porcentajes más altos cuando la distancia decrece y la agregación aumenta. Para complementar estas simulaciones se han hecho pruebas experimentales con agregación de trama máximo de 8192 bytes pero con distintas configuraciones de ancho de banda y GI. Los resultados de estas pruebas se muestran en las Tabla 4.8, 4.9 y 4.10. Los experimentos han sido llevados a cabo con flujos bidireccionales UDP de tamaño de paquete 1400 bytes a nivel de aplicación con los equipos Mikrotik. 20 MHz GI=800ns MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15 Throughput (Mbps) 5.76 11.25 16.72 22.73 34.03 45.03 50.83 55.73 11.4 22.67 30.9 44.31 66.82 81.22 83.8 94.43 Jitter (ms) 7.98 6.28 5.53 4.89 4.29 3.09 3.07 2.86 4.31 2.13 1.24 0.81 0.51 0.45 0.74 0.92 Latencia (ms) 425.39 421.955 174.015 171.02 123.14 119.83 105.58 105.33 487.88 269.44 162.05 118.33 77.94 55.61 55.11 52.15 Tabla 4.8: Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 20 MHz y GI=800ns 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N 40 MHz GI=800ns MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15 Throughput (Mbps) 11.88 23.63 35.06 47.3 69.74 92.83 103.64 115.97 24.03 45.7 68.86 86.23 136.9 178.5 189.16 196.02 103 Jitter (ms) 4.238 1.662 1.645 1.105 0.864 0.692 0.495 0.463 1.69 0.9 0.51 0.643 0.32 0.3 0.22 0.26 Latencia (ms) 412.7 201.66 163.01 123.83 80.44 54.77 50.8 44.11 237.66 115.27 80.77 65.01 42.21 32.63 27.82 24.3 Tabla 4.9: Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 40 MHz 7 GI=800ns Adicionalmente se han realizado pruebas experimentales en las redes del Napo y Balsapuerto, previamente descritas en el Capı́tulo 3.2.3. Se han escogido dos enlaces equivalentes de 30 Km, configurados con MCS4 y 20 MHz de ancho de canal. Sin embargo para ver el efecto que la agregación de tramas tiene en la realidad el enlace de la red del Napo está configurado sin agregación de tramas, mientras que el enlace de la red de Balsapuerto tiene una agregación de 8192 bytes. Los resultados de estas medidas se muestran en la Tabla 4.11, donde se aprecia que el throughput, tanto en saturación como en situación de bajo retardo, es notablemente superior cuando se usa agregación de tramas. 104 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 40 MHz GI=400ns MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15 Throughput (Mbps) 10.75 26.26 39.3 52.46 76.57 101.93 115.24 126.93 24.1 51.16 76.76 101.66 143.76 195.2 219.67 240.33 Jitter (ms) 4.28 1.97 1.37 1.29 0.83 0.7 0.49 0.34 1.16 0.6 0.46 0.32 0.29 0.38 0.28 0.24 Latencia (ms) 364.11 202.61 144.72 93.01 71.83 57.01 45.21 46.18 198.88 105.88 70.27 48.53 34.59 30.87 26.6 23.8 Tabla 4.10: Resultados experimentales de throughput de saturación, jitter en saturación y retardo en saturación para las distintas modulaciones en 802.11n cuando se usa un ancho de banda de 40 MHz y GI=400ns Enlace MCS4 30 Km Napo Sin Agregación Balsapuerto Agregación 8192 Throughput (Mbps) Saturación Retardo Acotado 6.4 6.2 15 10.4 Tabla 4.11: Resultados experimentales de throughput de saturación y throughput con el retardo acotado para dos enlaces reales con y sin agregación de tramas. A la vista de los resultados, se puede afirmar que el efecto de la agregación de tramas es a todas luces ventajoso en términos de throughput. Sin embargo, el hecho de que se agreguen tramas puede influir negativamente en el retardo. Teóricamente a más agregación mayor retardo de transmisión, debido a que los paquetes tienen que esperar a que se envı́e toda la trama para que se considere recibido correctamente, siendo este retardo considerable para tramas grandes, como se muestra en la Figura 4.38. 4.4. RESULTADOS PARA IEEE 802.11N Figure 4.38: Retardo de transmisión según la agregación de tramas para los distintos MCSs con un ancho de canal de 40 MHz. Sin embargo, el hecho de que generalmente no se usen agregaciones mayores de 8192 bytes y que los MCS suelen escogerse lo más altos posibles, hace que estos retardos no alcancen más de 2ms, siendo despreciables para los MCS mayores que MCS2. Por lo tanto se considera que el retardo en un enlace 802.11 vendrá determinado casi en su totalidad por el retardo de encolamiento, el cual depende del nivel de carga del enlace. Esto hace que, debido a que el mecanismo de agregación de tramas está asociado con un incremento de throughput, el retardo de un enlace 802.11, ası́ como el jitter y la pérdida de paquetes, sean siempre más pequeños cuando se use agregación de tramas. Por este motivo, para finalizar con el análisis de IEEE 802.11n es importante caracterizar el throughput de un enlace de larga distancia cuando se trabaja con retardo acotado. De esta forma es posible conocer el rendimiento ”óptimo”, el cual asegura el throughput máximo pero asegurando mı́nimos valores de retardo, jitter y pérdida de paquetes. Los distintos throughputs con retardo acotado en función de la distancia para distintos MCSs se muestran en la Figura 4.39, obtenida mediante simulación. Para esta simulación se ha usado un ancho de canal de 20 MHz, paquetes de tamaño 1400 bytes y con agregación de tramas de 8192 bytes. 105 106 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.39: Throughput de saturación (MCSx) y con retardo limitado (MCSx-lim) en 802.11n para modulaciones SISO en función de la distancia Se puede observar que el throughput con retardo acotado de cada modulación es notablemente menor que el throughput de saturación. Esta diferencia entre ambos throughputs varı́a según la distancia y la modulación. En la Tabla 4.12 se muestra esta relación en forma de porcentaje entre throughput máximo y throughput con retardo acotado. (%) MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 0 Km 98.9 95.6 97.2 96.2 94.0 91.5 92.7 91.2 10 Km 86.9 85.5 86.7 85.7 85.0 86.1 86.2 82.0 20 Km 73.4 75.2 76.4 79.7 80.8 78.8 78.9 78.1 30 Km 60.9 65.2 68.1 71.9 72.7 63.9 62.6 66.3 40 Km 55.3 56.2 60.1 55.3 57.7 59.4 59.3 64.5 50 Km 48.9 52.7 53.4 51.9 46.8 51.3 59.3 58.1 60 Km 45.0 44.1 44.5 49.8 39.0 49.8 64.9 64.7 Tabla 4.12: Procentaje del throughput del máximo que corresponde al throughput con retardo acotado en 802.11n para los distintos MCSs En algunos casos, el throughput con bajo retardo es solamente un pequeña fracción del throughput máximo. Sin embargo, a la hora de dimensionar un enlace 802.11n tienen que ser esos los valores a considerar para estimar el throughput para tener un rendimiento óptimo en el enlace. 4.5. ACERCA DE IEEE 802.11E Y QOS 4.5 107 Acerca de IEEE 802.11e y QoS Antes de finalizar con el análisis de las tecnologı́as WiFi que usan CSMA/CA como método de acceso al medio, es necesario abordar la problemática de la QoS. Como se mencionó en el Capı́tulo 2.2.1, el estándar IEEE 802.11e es el que aporta mecanismos para diferenciación de tráfico dando prioridades a ciertos tipos de tráfico. Está diferenciación se realiza mediante cuatro AC definidas cada una con distintos parámetros de AIFSN, CWm in, CWm ax y TXOP. Mediante el modelo teórico propuesto en [24] se pueden obtener los valores de throughput de saturación, retardo de saturación, jitter en saturación y péridas de paquete en saturación. A modo de ejemplo, en las Tablas 4.13, 4.14 ,4.15 y 4.16 se muestran el throughput de saturación y retardo de saturación en un enlace 802.11g con soporte de 802.11e para la tasa fı́sica de 11 Mbps. Las Tablas 4.13 y 4.14 muestran el throughput de saturación cuando el enlace lo comparten dos flujos, uno más prioritario de VoIP y otro menos prioritario de BE. Debido a que ambos flujos compiten por los recursos desde distintas ACs, cada uno obtendrá valores distintos de throughput. Este valor de throughput varı́a según la distancia y el valor de AIFSN. VoIP Distance 2 Km 24 Km 48 Km AIFSN=6 4.46 2.19 1.41 Throughput ( Mbps ) AIFSN=10 AIFSN=15 5.24 5.50 2.47 2.68 1.56 1.67 AIFSN=20 5.56 2.80 1.72 Tabla 4.13: Throughput de saturación para un flujo VoIP cuando comparte el enlace con otro flujo BE en IEEE 802.11e BE Distance 2 Km 24 Km 48 Km AIFSN=6 2.28 1.14 0.72 Throughput ( Mbps ) AIFSN=10 AIFSN=15 1.45 1.13 0.66 0.33 0.41 0.19 AIFSN=20 1.01 0.15 0.09 Tabla 4.14: Throughput de saturación para un flujo BE cuando comparte el enlace con otro flujo VoIP en IEEE 802.11e Las Tablas 4.13 y 4.14 evidencian que, en situación de saturación, un enlace puede otorgar mayor throughput a un tipo de tráfico u otro según su prioridad, evitando además que la clase menos prioritaria sufra de efectos de inanición de recursos. Cuanto se favorece a un tipo tráfico respecto al otro 108 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 viene muy influenciado por el valor de AIFSN, viéndose como para valores grandes el tráfico VoIP tiene mejor tratamiento respecto a al tráfico BE que para valores pequeños de AIFSN. Las Tablas 4.15 y 4.16 muestran los valores de retardo de saturación para los tipos de tráficos VoIP y BE respectivamente. VoIP Distance (Km) 2 Km 24 Km 48 Km AIFSN=6 95.18 217.46 341.89 Retardo ( ms ) AIFSN=10 AIFSN=15 58.24 16.44 192.28 175.43 307 285.71 AIFSN=20 8.39 167.80 273.73 Tabla 4.15: Retardo de saturación para un flujo VoIP cuando comparte el enlace con otro flujo BE en IEEE 802.11e BE Distance (Km) 2 Km 24 Km 48 Km AIFSN=6 207.31 420.83 664.13 Retardo ( ms ) AIFSN=10 AIFSN=15 328.34 417.24 727.53 1454.20 1150.07 2454.35 AIFSN=20 473.43 3108.36 4880.93 Tabla 4.16: Retardo de saturación para un flujo BE cuando comparte el enlace con otro flujo VoIP en IEEE 802.11e Ambas Tablas 4.15 y 4.16 muestran también como es posible conseguir mejores retardos de saturación en los tráficos más prioritarios. Para el caso de valores grandes de AIFSN, es incluso posible asegurar retardos de saturación relativamente bajos, equiparables a los que se pueden obtener en situaciones de no saturación. Sin embargo con el aumento de la distancia estos retardos se disparan hasta las centenas de milisegundos para los tráficos prioritarios y hasta varios segundos en los tráficos menos prioritarios. Estos resultados evidencian que, mediante las técnicas de diferenciación de tráfico de 802.11e, se pueden dar prioridades a las distintas clases de tráfico, pero no se puede asegurar en ningún caso valores deterministas. Además, aunque se puede priorizar un tipo de tráfico respecto a otro logrando retardos en saturación distintos según las prioridades, no es posible mantener esta situación para largas distancias ya que un valor de AIFSN grande influye muy negativamente en el enlace con la distancia. Por último, no suele ser recomendable alcanzar retardos altos, del orden del varios segundos aunque sea en el tráfico no prioritario. IEEE 802.11e no parece ser una solución óptima para obtener una buena QoS cuando se trata de enlaces de larga distancia. Puede ser considerado 4.6. RESULTADOS PARA NV2 Y AIRMAX 109 como valor añadido o como herramienta que complemente la QoS de otras técnicas. La única manera en que se asegurará una cierta calidad de servicio en un enlace 802.11 de larga distancia es la de controlar el nivel de carga en el enlace a fin de asegurar valores de latencia, jitter y pérdida de paquetes bajos y acotados. Por lo tanto los mecanismos de QoS trabajarán en los extremos del enlace o red para lograr este objetivo. 4.6 Resultados para NV2 y AirMAX Para caracterizar los enlaces WiFi basados en TDMA/Polling no es posible usar un modelo teórico ni realizar simulaciones. Por este motivo, la única alternativa es realizar experimentos con equipos reales y ver sus prestaciones y consecuentemente, se han realizado una serie de pruebas cuyos resultados se muestran a continuación. Las Tablas 4.17,4.18 y 4.19 muestran medidas en saturación para NV2 y AirMAX distancia 0 Km en el entorno del laboratorio. En la Tabla 4.19 no se muestran datos para AirMAX debido a que no es posible configurar los equipos de Ubiquiti con GI de 400ns. Las pruebas se han hecho con flujos bidireccionales UDP de tamaño de paquete 1400 bytes a nivel IP. El tamaño de trama para ambos equipos es de 5 ms. 20 MHz GI=800ns MCS0 MCS7 MCS8 MCS15 NV2 Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) 4.93 4.76 50.34 2.61 10.06 2.31 90.1 0.54 AirMAX Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) 4.96 6.17 40.1 2.72 9.75 2.8 79.63 0.83 Tabla 4.17: Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 y AirMAX para distancia 0 con canal de 20 MHz y GI=800ns 110 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 40 MHz GI=800ns MCS0 MCS7 MCS8 MCS15 NV2 Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) 10.4 2.38 99.86 0.5 22.6 1.94 174.96 0.46 AirMAX Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) 12.92 3.2 78.63 0.72 22.22 1.3 146.36 0.51 Tabla 4.18: Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 y AirMAX para distancia 0 con canal de 40 MHz y GI=800ns 40 MHz GI=400ns MCS0 MCS7 MCS8 MCS15 NV2 Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) 11.52 2.321 112.46 0.522 20.54 1.91 196.63 0.6 AirMAX Throughput Jitter Sat Sat. ( Mbps ) ( ms ) X X X X X X X X Tabla 4.19: Valores de Throughput y jitter en saturación en medidos en pruebas experimentales con NV2 para distancia 0 con canal de 40 MHz y GI=400ns Aunque a la vista de estos resultados se puede considerar que NV2 y AirMAX dan resultados similares, NV2 generalmente es superior tanto en throughput de saturación como en jitter de saturación. Por este motivo, el resto de la caracterización se ha focalizado en NV2, ya que se considera que realizar las pruebas con AirMAX no aporta información relevante y que los resultados de NV2 puedan ser interpolados también a AirMAX salvando pequeñas diferencias. A continuación se ha querido analizar el comportamiento de un enlace NV2 en función de la carga. Para ello se han realizado pruebas en el laboratorio para distintos MCSs tanto en tamaño de trama 2ms como en 10ms. Al igual que antes, se han usado flujos bidireccionales UDP de tamaño de paquete 1400 Bytes a nivel IP. En la Figura 4.40 se muestra el throughput según la carga para una trama de 2 ms, donde el porcentaje de carga 0% supone carga nula y el 100% supone máxima tasa a nivel fı́sico. De igual manera, la Figura 4.41 muestra los valores de throughput con la carga para una trama de 10 ms. 4.6. RESULTADOS PARA NV2 Y AIRMAX Figure 4.40: Throughput en función de la cara en un enlace NV2 a distancia 0 para tramas de 2 ms Figure 4.41: Throughput en función de la cara en un enlace NV2 a distancia 0 para tramas de 10 ms Como era de esperar, la Figura 4.40 muestra valores de throughput mayores en situación de saturación que en la Figura 4.41. Respecto al retardo en cada MCS, las Figuras 4.42 y 4.43 muestran la latencia obtenida en los experimentos para tramas de 2 ms y 10 ms respectivamente. 111 112 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Figure 4.42: Latencia en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 2 ms. Figure 4.43: Latencia en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. Ambas Figuras muestran la evolución del retardo, pudiéndose apreciar los puntos donde el retardo se dispara. Mientras que en saturación el retardo es aproximadamente el mismo para tramas de 2 ms y 10 ms, cuando se trabaja en la zona lineal de no saturación los retardos para la trama de 2 ms se sitúan en torno los 3 ms y para la trama de 10 ms en torno a los 12 ms. 4.6. RESULTADOS PARA NV2 Y AIRMAX Las útlimas Figuras 4.40, 4.41, 4.42 y 4.43 evidencian que en situaciones normales obtendremos un menor retardo con tramas de corta duración pero también un menor throughput. Por otro lado, usando tramas grandes se obtendrá un mayor throughput a costa de aumentar la latencia del enlace. Esto es debido a que usar tramas más cortas equivale a aumentar la sobrecarga de cabeceras y a reducir el ancho de banda efectivo. Sin embargo, el uso de tramas más cortas también hace que los retardos disminuyan debido a que el AP puede asignar ancho de banda a los paquetes entrantes más rápidamente. Por lo tanto, variando el tamaño de trama, se obtiene una relación de trade-off entre la eficiencia del enlace y su retardo. Para comprobar el efecto de la distancia en los enlaces NV2 se ha tenido la oportunidad de probar este protocolo en un enlace de 30 Km de la red de Balsapuerto. La Figura 4.44 muestra los valores obtenidos de throughput, tanto de saturación como con retardo acotado a 10 ms. Para realizar esta medidas se han usado flujos bidireccionales UDP de tamaño 1400 bytes a nivel IP y se ha configurado una trama de 2 ms. Debido a que se trata de una prueba real, no se han podido probar todos los MCS debido al balance del enlace. Sólo se han probado los MCS0, MCS1, MCS2, MCS3 y MCS4 y sus equivalentes MIMO MCS8, MCS9, MCS10, MCS11 y MCS12 ya que eran los únicos posibles con el nivel de potencia recibida. Figure 4.44: Throughput saturación y con retardo acotado de 5 ms en un enlace NV2 real de 30 Km A partir de estos resultados, se ha intentado modelar el comportamiento de NV2 con la distancia mediante una aproximación lineal. De esta manera, usando los datos mostrados en la Tabla 4.20 obtenidos de los experimentos 113 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 114 anteriores, se ha calculado la pendiente de la recta de caı́da de throughput con la distancia. Mbps MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 0 Km Throughput Retardo Acotado 5 ms 3.8 8.3 13.1 17.6 26.3 30 Km Throughput Retardo Acotado 5 ms 3.7 6.4 10.2 13.4 20.8 0 Km 30 Km Throughput Saturación Throughput Saturación 4.4 9.1 13.8 18.6 27.9 4.0 8.4 12.8 18.0 26.6 Tabla 4.20: Medidas de throughput experimentales obtenidas para NV2 para realizar la aproximación Usando esta pendiente y los valores experimentales medidos a 0 Km y 30 Km se han elaborado las Figuras 4.45 y 4.46, las cuales predicen el throughput de saturación y de retardo acotado a 5 ms en función de la distancia en los enlaces de NV2. En dichas figuras, los valores de throughput experimentales corresponden a los puntos (Exp-MCSx) y la aproximación con la distancia corresponde a las lı́neas discontinuas (MCSx). Figure 4.45: Aproximación del throughput de saturación en función de la distancia realizada en función de medidas experimentales en NV2 con trama de 2 ms 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Figure 4.46: Aproximación del throughput de retardo acotado en función de la distancia realizada en función de medidas experimentales en NV2 con trama de 2 ms Como se puede observar en las Figuras 4.45 y 4.46 existe un decremento del throughput con la distancia, siendo este más acentuado cuando se desea limitar el retardo. Esta disminución de throughput es debida a los mecanismos de polling y de asignación de ancho de banda, los cuales requieren tener en cuenta el tiempo de propagación para poder sincronizar el AP con la STA y asignar anchos de bandas periódicamente. Es de esperar que, para valores de trama más grande, esta pendiente sea menor a costa de elevar la latencia del enlace. Este parámetro y otros relativos a la capa fı́sica como el ancho de banda, el GI y el balance del enlace son los que podrán ser configurados para diseñar un enlace con unos determinados requisitos de throughput y retardo. Respecto al jitter y a la pérdida de paquetes se espera que tengan una respuesta similar al retardo, en el que se incrementen notablemente a partir del punto de bajo retardo. 4.7 4.7.1 Discusión de resultados Rendimiento de las distintas tecnologı́as Una vez que se han vistas las distintas soluciones en WiFi, tanto estándares como privadas, es posible realizar una primera comparación entre ellas. Por un lado, dentro de las versiones estándar IEEE 802.11 es evidente concluir que siempre será más conveniente usar la versión IEEE 802.11n, 115 116 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 salvo que existan restricciones relativas a la disponibilidad de equipos. Los equipos 802.11n actuales son igual o más baratos que los basados en los anteriores estándares y, además, ofreciendo mejores prestaciones. La Figura 4.47 muestra las diferencias entre los distintos estándares. En cada estándar se han escogido las configuraciones que resultan en un mayor throughput de saturación. Esto es usando MCS7 y agregación de tramas de 8192 bytes para 802.11n, 54Mbps y Erp54Mbps para 802.11a y 802.11g respectivamente y 11Mbps para 802.11b. Para hacer una comparación justa, se han usado canales de 20 MHz y GI = 800ns para OFDM y 22 MHz para DSSS. Figure 4.47: Throughput de saturación para las distintas versiones de IEEE 802.11 en la mayor modulación Comparar los throughputs de saturación de las distintas versiones no da una visión real del throughput útil que realmente está disponible ofreciendo retardo acotado. Sin embargo, sabemos que este throughput de retardo acotado será una fracción del de saturación, y que será mayor cuando mayor sea el throughput de saturación. Por otro lado, si comparamos 802.11n con NV2 y AirMAX a distancia 0 Km comprobamos que se obtienen mayores throughputs con 802.11n. La Figura 4.48 muestra esto para los MCS0, MCS7 ,MCS8 y MCS15, las modulaciones menores de SISO y MIMO. Entre NV2 y AirMAX los resultados de los experimentos muestran que aunque los valores de throughput no son muy distintos, siempre son mejores en NV2. La comparación se ha hecho con los resultados de los experimentos recogidos para la elaboración de las Tablas 4.9 y 4.17, usando 20 MHz de ancho de banda, GI = 800ns y flujos bidireccionales UDP de tamaño de paquete 1400 bytes. Para el caso de 802.11n se ha usado una agregación de tramas de 8192 bytes y en el caso de NV2 y AirMAX se han usado tramas de duración 2 ms. 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Figure 4.48: Comparación de medidas de throughput de saturación realizadas en el laboratorio para 802.11n, NV2 y AirMAX De igual manera, la Figura 4.49 muestra para los mismos experimentos, los valores obtenidos de jitter en saturación. Vemos que respecto al jitter 802.11n es el que posee los valores más altos, mientras que NV2 y AirMAX tienen un menor jitter. Esto es acorde con las capas MAC de cada tecnologı́a. Una capa MAC basada en CSMA/CA, por su naturaleza probabilı́stica siempre tendrá mayor jitter que una basada en TDMA. Figure 4.49: Comparación de medidas de jitter de saturación realizadas en el laboratorio para 802.11n, NV2 y AirMAX 117 118 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 Sin embargo estas medidas, al ser a distancia 0 Km no dan una visión fiable del comportamiento de estas tecnologı́as mayores distancias. Por eso en la Figura 4.50 se muestra la comparación de los resultados empı́ricos obtenidos en un enlace de 30 Km de la red de Balsapuerto donde se han probado 802.11n y NV2 usando un ancho de banda de 20 MHz, GI = 800ns y fujos bidireccionales UDP con paquetes de 1372 bytes. En el caso de 802.11n se ha usado una agregación de trama de 8192 y la duración de la trama en NV2 ha sido de 2 ms. Debido a las restricciones de balance del enlace solo se han probado las modulaciones MCS0-MCS4 y sus equivalentes MIMO MCS8MCS12. Estos datos corresponden a los mostrados en las Tablas 4.11 y 4.20. AirMAX no se ha incluido en estas comparaciones porque, además de que no se dispone de equipamiento Ubiquiti en las redes del Napo y Balsapuerto, no se considera relevante repetir las pruebas con AirMAX ya que los resultados de NV2 son suficientemente representativos. Figure 4.50: Comparación del throughput medido experimentalmente a una distancia de 30 Km en 802.11n y NV2 También se ha querido comparar la evolución del retardo en este enlace de 30 Km cuando la carga se va aumentando paulatinamente. La Figura 4.51 muestra que, a estas distancias, 802.11n da valores de retardo mayores tanto de saturación como de no saturación. Esto quiere decir que el punto de bajo retardo se situará en un porcentaje del throughput de saturación menor que en NV2, y por lo tanto, tendrá un menor throughput con retardo acotado. 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Figure 4.51: Comparación de la evolución del retardo experimentalmente a una distancia de 30 Km en 802.11n y NV2 119 medido Por último, para finalizar la comparación de 802.11n y NV2, se muestra en la Figura 4.52 la evolución del throughput con la distancia. Sólo se muestran valores hasta 30 Km porque no se dispone de información sobre como NV2 se comporta a mayores distancias, aunque previsiblemente se preve que de un rendimiento lineal. Para 802.11n se han usado las simulaciones, también mostradas en la Figura 4.39, para obtener obtener tanto el throughput de saturación como el de bajo retardo. En el caso de NV2, se usado la aproximación realizada en las Figuras 4.45 y 4.46 con las medidas experimentales de 0 y 30 Km realizadas en el laboratorio y la red del Napo y comentadas anteriormente. A la vista de los resultados se concluye que el throughput, tanto de saturación como de bajo retardo es mayor en 802.11n que en NV2 cuando la distancia de los enlaces son de menos de 10 Km. Para mayores distancias el throughput dado por NV2 es mayor como se esperaba debido al mecanismo TDMA comentado en capı́tulos anteriores. CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 120 Figure 4.52: Comparación del throughput con la distancia para 802.11n y NV2 No se muestran datos de jitter y pérdida de paquetes porque se asume que cuando se trabaja en bajo retardo estos valores son muy bajos y pueden considerarse equivalentes en ambas tecnologı́as. La diferencia entre ambas tecnologı́as es realmente a qué punto de carga del enlace el jitter y la pérdida de paquetes, junto con el retardo, se dispararán a valores no tolerables. 4.7.2 Influencia de las capas fı́sicas Como hemos visto en el análisis de los estándares IEEE 802.11a/b/g/n y de NV2 y AirMAX, siempre será más interesante trabajar con los bitrates más elevados para obtener mayor throughput en las capas superiores, sobre todo a corta y media distancia en IEEE 802.11. Sin embargo, las restricciones del enlace dificultan trabajar con modulaciones de alto nivel en enlaces de larga distancia. Para mostrar qué modulaciones se pueden usar en cada estándar y a qué distancia, se ha estimado en las Tablas 4.6, 4.7 y 4.8 la viabilidad de cada modulación de acuerdo a los niveles de RSSI y la sensibilidad del receptor en cada familia del estándar. Para obtener estos valores se ha usado la aproximación de campo lejano para el modelo de propagación de espacio libre según la Eq. 4.12 y el balance de enlace de la Eq. 4.13: PLOSS = 92.4 + 20 · log(D(Km)) + 20 · log(F (GHz)) log (4.12) SN R = S − PT X + GT X + GRX − PLOSS − 2 · Attc (4.13) 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 121 Siendo PT X la potencia de transmisión en dBm, GT X y GT X las ganancias de antenas Tx y Rx respectivamente, PLOSS las pérdidas por propagación en el espacio libre y Attc las pérdidas en los conectores. Los parámetros fı́sicos considerados en cada banda de frecuencia se muestran en la Tabla 5.4. Estos parámetros han sido escogidos según la disponibilidad de equipos en el mercado (antenas tı́picas con ganancias de entre 27 y 25 dB según la frecuencia de trabajo) y las regulaciones existentes en esas bandas según la FCC. En los paı́ses Europeos la FCC establece un máximo de potencia de transmisión de 24 dBm, pero en otros extra comunitarios es de 30 dBm. Como valor compromiso se ha escogido 24 dBm para que el análisis sea válido en la mayorı́a de los paı́ses, suponiéndose mejores resultados en aquellos donde se puede elevar la potencia de transmisión. Las pérdidas por conectores tı́picamente son de 2dB y se ha considerado un margen de 20 dB para asegurar la estabilidad del enlace. Las sensibilidades de cada estándar se han obtenido de equipos reales disponibles en el mercado [65]. En las Tablas 4.22, 4.23, 4.24, 4.25 y 4.25 se muestra el margen M existente entre RSSI y Sensibilidad para las distintas capas PHY. Según este margen se asignan los colores: - Verde: M > 20dB → Viable - Amarillo: 15dB > M > 20dB → Incertidumbre - Verde: 15dB > M → No viable De esta forma se puede ver gráficamente hasta qué distancia un enlace es viable a una determinada modulación. En las filas superiores se muestran las distancias en Km, las pérdidas por propagación en espacio libre (Loss) y el nivel de potencia recibida en dBm (PRX ). Las columnas de la izquierda muestran la tasa fı́sica y la sensibilidad del receptor según cada estándar. Parámetro Potencia de Transmisión PT X Ganancia Antenas GT X y GRX Pérdidas por conectores Attc Margen (M) Frecuencia Banda 2.4 GHz 24 dBm 25 2 dB 20 dB 2400 MHz Banda 5GHz 24 dBm 27 2 dB 20 dB 5700 MHz Tabla 4.21: Parámetros PHY usados para calcular el balance de enlace CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 122 802.11a Mode 6Mbps 9Mbps 12Mbps 18Mbps 24Mbps 36Mbps 48Mbps 54Mbps Km Loss PRx S -95 -92 -90 -83 -80 -78 -77 -76 1 108 -34 5 121 -47 10 128 -54 15 131 -57 20 134 -60 25 135 -61 30 137 -63 35 138 -64 40 140 -66 45 141 -67 50 141 -67 55 142 -68 60 143 -69 61.5 58.5 56.5 49.5 46.5 44.5 43.5 42.5 47.5 44.5 42.5 35.5 32.5 30.5 29.5 28.5 41.5 38.5 36.5 29.5 26.5 24.5 23.5 22.5 38.0 35.0 33.0 26.0 23.0 21.0 20.0 19.0 35.5 32.5 30.5 23.5 20.5 18.5 17.5 16.5 33.5 30.5 28.5 21.5 18.5 16.5 15.5 14.5 31.9 28.9 26.9 19.9 16.9 14.9 13.9 12.9 30.6 27.6 25.6 18.6 15.6 13.6 12.6 11.6 29.4 26.4 24.4 17.4 14.4 12.4 11.4 10.4 28.4 25.4 23.4 16.4 13.4 11.4 10.4 9.4 27.5 24.5 22.5 15.5 12.5 10.5 9.5 8.5 26.7 23.7 21.7 14.7 11.7 9.7 8.7 7.7 25.9 22.9 20.9 13.9 10.9 8.9 7.9 6.9 Tabla 4.22: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11a 802.11b Mode DSSS1Mbps DSSS2Mbps DSSS5.5Mbps DSSS11Mbps Km Loss PRx S -88 -86 -85 -83 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 107.5 121.5 127.5 131.0 133.5 135.5 137.1 138.4 139.6 140.6 141.5 142.3 143.1 -34 -47 -54 -57 -60 -61 -63 -64 -66 -67 -67 -68 -69 58.0 56.0 55.0 53.0 44.0 42.0 41.0 39.0 38.0 36.0 35.0 33.0 34.5 32.5 31.5 29.5 32.0 30.0 29.0 27.0 30.0 28.0 27.0 25.0 28.5 26.5 25.5 23.5 27.1 25.1 24.1 22.1 26.0 24.0 23.0 21.0 24.9 22.9 21.9 19.9 24.0 22.0 21.0 19.0 23.2 21.2 20.2 18.2 22.4 20.4 19.4 17.4 Tabla 4.23: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11b 802.11g (Erp) Mode Erp6Mbps Erp9Mbps Erp12Mbps Erp18Mbps Erp24Mbps Erp36Mbps Erp48Mbps Erp54Mbps Km Loss PRx S -89 -86 -83 -80 -78 -75 -72 -70 1 108 -34 5 121 -47 10 128 -54 15 131 -57 20 134 -60 25 135 -61 30 137 -63 35 138 -64 40 140 -66 45 141 -67 50 141 -67 55 142 -68 60 143 -69 59.0 56.0 53.0 50.0 48.0 45.0 42.0 40.0 45.0 42.0 39.0 36.0 34.0 31.0 28.0 26.0 39.0 36.0 33.0 30.0 28.0 25.0 22.0 20.0 35.5 32.5 29.5 26.5 24.5 21.5 18.5 16.5 33.0 30.0 27.0 24.0 22.0 19.0 16.0 14.0 31.0 28.0 25.0 22.0 20.0 17.0 14.0 12.0 29.5 26.5 23.5 20.5 18.5 15.5 12.5 10.5 28.1 25.1 22.1 19.1 17.1 14.1 11.1 9.1 27.0 24.0 21.0 18.0 16.0 13.0 10.0 8.0 25.9 22.9 19.9 16.9 14.9 11.9 8.9 6.9 25.0 22.0 19.0 16.0 14.0 11.0 8.0 6.0 24.2 21.2 18.2 15.2 13.2 10.2 7.2 5.2 23.4 20.4 17.4 14.4 12.4 9.4 6.4 4.4 Tabla 4.24: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11g 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 802.11n NV2 AirMAX Mode MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15 Km Loss PRx S -95 -93 -91 -89 -80 -78 -76 -73 -95 -93 -91 -89 -80 -78 -76 -73 123 1 108 -34 5 121 -47 10 128 -54 15 131 -57 20 134 -60 25 135 -61 30 137 -63 35 138 -64 40 140 -66 45 141 -67 50 141 -67 55 142 -68 60 143 -69 61.5 59.5 57.5 55.5 46.5 44.5 42.5 39.5 61.5 59.5 57.5 55.5 46.5 44.5 42.5 39.5 47.5 45.5 43.5 41.5 32.5 30.5 28.5 25.5 47.5 45.5 43.5 41.5 32.5 30.5 28.5 25.5 41.5 39.5 37.5 35.5 26.5 24.5 22.5 19.5 41.5 39.5 37.5 35.5 26.5 24.5 22.5 19.5 38.0 36.0 34.0 32.0 23.0 21.0 19.0 16.0 38.0 36.0 34.0 32.0 23.0 21.0 19.0 16.0 35.5 33.5 31.5 29.5 20.5 18.5 16.5 13.5 35.5 33.5 31.5 29.5 20.5 18.5 16.5 13.5 33.5 31.5 29.5 27.5 18.5 16.5 14.5 11.5 33.5 31.5 29.5 27.5 18.5 16.5 14.5 11.5 31.9 29.9 27.9 25.9 16.9 14.9 12.9 9.9 31.9 29.9 27.9 25.9 16.9 14.9 12.9 9.9 30.6 28.6 26.6 24.6 15.6 13.6 11.6 8.6 30.6 28.6 26.6 24.6 15.6 13.6 11.6 8.6 29.4 27.4 25.4 23.4 14.4 12.4 10.4 7.4 29.4 27.4 25.4 23.4 14.4 12.4 10.4 7.4 28.4 26.4 24.4 22.4 13.4 11.4 9.4 6.4 28.4 26.4 24.4 22.4 13.4 11.4 9.4 6.4 27.5 25.5 23.5 21.5 12.5 10.5 8.5 5.5 27.5 25.5 23.5 21.5 12.5 10.5 8.5 5.5 26.7 24.7 22.7 20.7 11.7 9.7 7.7 4.7 26.7 24.7 22.7 20.7 11.7 9.7 7.7 4.7 25.9 23.9 21.9 19.9 10.9 8.9 6.9 3.9 25.9 23.9 21.9 19.9 10.9 8.9 6.9 3.9 Tabla 4.25: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11n/NV2/AirMAX en la banda de 2.4 GHz 802.11n NV2 AirMAX Mode MCS0 MCS1 MCS2 MCS3 MCS4 MCS5 MCS6 MCS7 MCS8 MCS9 MCS10 MCS11 MCS12 MCS13 MCS14 MCS15 Km Loss PRx S -95 -91 -88 -85 -82 -79 -76 -74 -95 -91 -88 -85 -82 -79 -76 -74 1 108 -34 5 121 -47 10 128 -54 15 131 -57 20 134 -60 25 135 -61 30 137 -63 35 138 -64 40 140 -66 45 141 -67 50 141 -67 55 142 -68 60 143 -69 61.5 57.5 54.5 51.5 48.5 45.5 42.5 40.5 61.5 57.5 54.5 51.5 48.5 45.5 42.5 40.5 47.5 43.5 40.5 37.5 34.5 31.5 28.5 26.5 47.5 43.5 40.5 37.5 34.5 31.5 28.5 26.5 41.5 37.5 34.5 31.5 28.5 25.5 22.5 20.5 41.5 37.5 34.5 31.5 28.5 25.5 22.5 20.5 38.0 34.0 31.0 28.0 25.0 22.0 19.0 17.0 38.0 34.0 31.0 28.0 25.0 22.0 19.0 17.0 35.5 31.5 28.5 25.5 22.5 19.5 16.5 14.5 35.5 31.5 28.5 25.5 22.5 19.5 16.5 14.5 33.5 29.5 26.5 23.5 20.5 17.5 14.5 12.5 33.5 29.5 26.5 23.5 20.5 17.5 14.5 12.5 31.9 27.9 24.9 21.9 18.9 15.9 12.9 10.9 31.9 27.9 24.9 21.9 18.9 15.9 12.9 10.9 30.6 26.6 23.6 20.6 17.6 14.6 11.6 9.6 30.6 26.6 23.6 20.6 17.6 14.6 11.6 9.6 29.4 25.4 22.4 19.4 16.4 13.4 10.4 8.4 29.4 25.4 22.4 19.4 16.4 13.4 10.4 8.4 28.4 24.4 21.4 18.4 15.4 12.4 9.4 7.4 28.4 24.4 21.4 18.4 15.4 12.4 9.4 7.4 27.5 23.5 20.5 17.5 14.5 11.5 8.5 6.5 27.5 23.5 20.5 17.5 14.5 11.5 8.5 6.5 26.7 22.7 19.7 16.7 13.7 10.7 7.7 5.7 26.7 22.7 19.7 16.7 13.7 10.7 7.7 5.7 25.9 21.9 18.9 15.9 12.9 9.9 6.9 4.9 25.9 21.9 18.9 15.9 12.9 9.9 6.9 4.9 Tabla 4.26: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en IEEE 802.11n/NV2/AirMAX en la banda de 5 GHz 4.7.3 Costes: CAPEX y OPEX A la hora de caracterizar un enlace inalámbrico, además de evaluar las prestaciones que ofrece, es necesario hacer una estimación de costes tanto fijos (CAPEX) como variables (OPEX). Para realizar una aproximación de los costes de WiFi se van tomar como referencia las redes rurales desplegadas en el Napo y Balsapuerto por el GTR de la PUCP. 124 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 CAPEX En las tecnologı́as WiFi podemos definer el CAPEX como el conjunto de: - Equipos de comunicaciones. Los equipos WiFi tienen la ventaja de ser muy baratos debida a su economı́a de escala. Considerando dos equipos por nodo como el Mikrotik RouterBoard RB 493G cada uno con antenas externas directivas, se estima un coste entorno a $880 USD. Un precio realmente bajo si se compara con otras soluciones de backhaul. El uso de una versión de IEEE 802.11a/b/g/n o NV2/AirMAX no implica una variación significativa de este coste. El uso de MIMO 2x2 de polarización necesitarı́a antenas especiales por lo que se podrı́a considerar un sobre coste del 50% al coste calculado para SISO. - Sistemas de energı́a. Los sistemas de energı́a rurales generalmente necesitan ser autónomos ya que no existen redes de energı́a disponibles en la ubicación de los nodos. Por lo tanto, si suponemos sistemas autónomos de energı́a, se ha de considerar un coste proporcional a la demanda de energı́a. Afortunadamente, los equipos WiFi tienen un bajo consumo de energı́a, siendo de no más de 6 W en máxima capacidad. La Figura 4.53 [1] muestra como varı́a el consumo de energı́a en un router WiFi bajo condiciones de alto y bajo tráfico. Para asegurar estos 6W de forma permanente, un sistema autónomo fotovoltaico formado por paneles, baterı́as, regulador y cableado puede tener un coste medio de $1800 USD. Esta cantidad puede variar ligeramente dependiendo de la situación geográfica y del clima tı́pico de la zona, pues según la radiación solar, mayor superficie de captación y mayor capacidad de almacenamiento serán necesarios para asegurar 6W las 24 horas de los 364 dı́as del año. - Infraestructuras de soporte. Las infraestructuras de soporte pueden variar mucho según la orografı́a de la zona donde se despliegue la red. Generalmente se usan torres de sustentación para elevar las antenas, siendo la altura de estas dependiente de la ubicación. Para zonas montañosas y valles, no se necesitará elevar las antenas significativamente y, por lo tanto, el coste de un soporte puede ser menor de $1000 USD. Sin embargo, en zonas llanas, como por ejemplo de selva, se requiere una mayor altura y torres de gran altura son necesarias para asegurar la lı́nea de vista. Dependiendo de la longitud del enlace, esta altura será menor o mayor, haciendo que los precios de una torre u otra varı́en desde los $5000 USD hasta los $26000 USD. Mediante torres ventadas pueden alcanzarse alturas de hasta 100 m. Para alturas superiores es necesario el uso de torres autoportantes, con las cuales se pueden alcanzar hasta un máximo de 200 m. Si tomamos 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS como referencia la red del napo con torres de 30 m de altura, el coste medio por torre es de $15000 USD. A este coste habrı́a que añadirle un sobrecoste por transporte de los materiales de la torre de $10000 USD. Figure 4.53: Medidas de consumo de potencia de un equipo WiFi 802.11n durante un perı́odo de una hora, con perı́odos de baja carga y uso intensivo. - Sistemas de protección eléctrica y fı́sica. Como en toda red de comunicaciones, es necesario proteger los equipos. Por un lado, el hecho de que los nodos estén ubicados en zonas rurales hace que no exista protección contra las tormentas eléctricas pues no existen edificios cercanos que dispongan de pararrayos lo suficientemente atractivos para evitar descargas en la torre. Por este motivo, un sistema de pararrayos propio ha de instalarse en la torre. Los costes de esta instalación dependen de la altura de la torre y de la calidad del suelo (suelos muy aislantes necesitarán una toma de tierra a mayor profundidad), pero se puede considerar un coste medio de $2100 USD. Por otro lado, la experiencia ha demostrado que en numerosas ocasiones se han dado casos de robos por lo que será necesario la instalación de un sistema de protección adicional tal como casetas o vallado. Esto generalmente supone un coste de $5000 USD. 125 126 CHAPTER 4. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS IEEE 802.11 - Despliegue y pruebas. Por último, es necesario considerar el precio relativo a la mano de obra en la instalación y la puesta en marcha del enlace. Este coste puede estar en torno a $5000 USD. Con esas consideraciones se puede calcular el CAPEX de un enlace con n saltos con la Eq. 4.14: CAP EX = (C + 300 · S + O) · (1 + n) (4.14) Donde C es el coste de los equipos de comunicaciones, S es el consumo de potencia en W, y O (Materiales + Protección Eléctrica + Protección Fı́sica + Transporte + Instalación) es el coste agregado de una torre contando materiales, protección transporte e instalación. Si ponemos números en Eq. 6.3 según los comentarios anteriores para un sólo enlace (2 torres) obtenemos un coste fijo de: CAP EX = (880 + 300 · 6 + (15000 + 2100 + 5000 + 10000 + 5000)) · 2 = 79560 (4.15) Según este presupuesto es posible ver que los costes asociados a la tecnologı́a WiFi y a su aprovisionamiento de energı́a es sólo del 3%, siendo la torre el elemento que más gasto conlleva. OPEX En lo que respecta al OPEX de WiFi, podemos considerar: - Licencias de frecuencias. Debido a que Wifi trabaja solamente en banda de frecuencias no licenciadas, este coste es cero. - Gestión de red. Dependiendo del sistema de gestión de red (NMS) implantado, estos costes pueden ser muy bajos o muy altos. En este caso se considera que un servidor externo de gestión correctamente configurado puede costar relativamente poco, siempre que se usen alternativas de código abierto, gratuitas y estandarizadas como SNMP. - Mantenimiento proactivo. Generalmente es conveniente revisar los equipos antes de que fallen para reducir el número de ellos y. en mayor medida, su impacto en la red en el caso de fallo. - Mantenimiento reactivo. Cuando el mantenimiento proactivo falla, es necesario realizar la reparación. El coste de reparación de estos fallos puede ser muy bajo o muy alto y pueden suceder constantemente o prácticamente nunca. - Material de reserva. Dependiendo del nivel de robustez y de rapidez de respuesta a fallos deseado este coste será mayor o menor. 4.7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 127 De forma aproximada se puede calcular el OPEX según Eq. 4.16, es decir una fracción del 5% del CAPEX anualmente: OP EX = CAP EX ∗ 5% ≈ 4000[U SD/Año] (4.16) Estos cálculos han sido hechos como orientación tomando como referencia una red desplegada en un escenario particular, por lo que cada caso deberá ser estudiado especı́ficamente. 4.7.4 Otras consideraciones Para finalizar, es interesante comentar que las ventajas del uso de IEEE 802.11ac como tecnologı́a para enlaces de larga distancia son inciertas, ya que solamente existen cambios en la capa PHY. Por un lado, niveles de modulación de hasta 256 QAM solamente garantizarán grandes throughputs a distancias cortas debido a las restricciones de SNR comentadas en el Capı́tulo 4.7.2. Técnicas MIMO 8x8 no podrán ser aprovechadas por la imposibilidad de conseguir la separación necesaria para obtener la suficiente de-correlación y por lo tanto, sólo se podrá usar MIMO 2X2 mediante crosspolarization. Solamente habrı́a una ventaja evidente en el uso de anchos de banda mayores, de 80 y 160 MHz. De esta manera, se podrán obtener mayores throughputs de saturación y de bajo retardo. Sin embargo, no siempre existirá la disponibilidad de esas bandas. Chapter 5 Caracterización de enlaces inalámbricos 802.16 En este capı́tulo se analizará el estándar IEEE 802.16 WiMAX de igual manera que se hizo en el Capı́tulo 4 anterior con WiFi. Se dará una visión detallada de los parámetros de throughput, latencia, jitter y pérdida de paquetes a obtener en un enlace WiMAX con distintas configuraciones. Para ello, primero se va a estudiar el modelo teórico usado. Posteriormente, una vez que se haya validado el modelo WiMAX del simulador ns-3, se dará un conjunto de resultados obtenidos tanto por el modelo teórico como por el simulador y mediante experimentos con equipos reales. Debido a que uno de los objetivos del proyecto TUCAN3G es reducir costes, la caracterización se va a centrar en la versión de WiMAX no licenciada WirelessHUMAN. Sin embargo, el funcionamiento MAC en otras bandas de frecuencia licenciadas es prácticamente idéntico al de las no licenciadas, existiendo únicamente diferencias relativas al balance del enlace. Por ello, solamente en el estudio del balance del enlace en 802.16 se incluirá el análisis de la versión en bandas licenciadas. 5.1 Modelado teórico IEEE 802.16 Como se ha mencionado en el Capı́tulo 2.4, actualmente existen varios perfiles WiMAX que cumplen con el estándar IEEE 802.16. Este modelado teórico se va a centrar en el perfil WirelessHUMAN, el cual trabaja en las bandas no licenciadas de 5GHz con anchos de banda de 10 MHz. Este modelo se basa en la información disponible en en el estándar IEEE 802.16-2009 [38] y en el análisis hecho en [66]. 128 5.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.16 5.1.1 129 Modelado del Throughput Los párametros que se han considerado para modelar el throughput de WiMAX están reflejados en la Tabla 5.1. NF F T NData BW n CP Tf TTG RT G f DL Es M CS(M, r) SRN G−OP MTU Parámetro Tamaño de la FFT Subportadoras usadas para datos Ancho de banda de canal Factor de muestreo Prefijo cı́clico Duración de trama Transmit/receive Transition Gap Receive/Transmit Transition Gap Fracción de trama dedicada al Downlink Eficiencia espectral Esquema de codificación y modulación Duración máxima de Ranging Opportunity en sı́mbolos Tamaño máximo de paquete Valor en el estándar 256 192 10 Mhz 144/125 1/4 - 1/32 2.5 - 20 ms min(2 × TP rop , 100) μs min(2 × TP rop , 100) μs 0-1 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 4.5 (2, 12 ), (4, 12 ), (4, 34 ), (16, 12 ), (16, 34 ), (64, 23 ), (64, 34 ) 2 × TP rop ) Tof dm 1400 bytes max(1, Tabla 5.1: Parámetros PHY y MAC para OFDM en WirelessHUMAN IEEE 802.16 Según el el perfil WirelessHUMAN, la capa fı́sica de OFDM consta de NT otal = 256 subportadoras de las cuales sólo NDatos = 192 son usadas para datos y la duración de un sı́mbolo OFDM se define como: TOF DM = NT otal · (1 + CP ) n · BW (5.1) Siendo N el número de subportadoras, CP el prefijo cı́clico, n el factor de muestreo y BW el ancho de banda de canal. Si consideramos que cada uno de estos sı́mbolos OFDM son transmitidos con una modulación M y una codificación r, podemos obtener la tasa fı́sica en bruto que puede ser usada mediante la Eq. 5.2. En el caso de que se usen técnicas MIMO, existirá una ganancia asociada 1 ≤ GM IM O ≤ Gmax donde Gmax = min(Mt , Mr ). RP HYB = GM IM O · NDatos · r · log2 M TOF DM (5.2) CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 130 Sin embargo, esta tasa bruta a nivel fı́sico no es la que se ofrece a los niveles superiores. La existencia de una estructura de trama WiMAX hace que todos los sı́mbolos no sean aprovechados. La siguiente Figura 5.1, que extiende la Figura 2.5 mostrada en el Capı́tulo 2.3.3, muestra como distintos elementos de la trama son usados para control: ! " # $ ! " $ ! " Figure 5.1: Ejemplo de trama TDD WiMAX Vemos en la figura que existen dos intervalos llamados RTG y TTG. Estos intervalos sirven para permitir a los equipos conmutar en la trama TDD desde el modo de transmisión al de recepción. El RTG y el TTG se calcula como: RT G = T T G = min(2 × TP rop , 100μs) (5.3) siendo su valor máximo de 100 μs. Si consideramos Tf como la duración de la trama WiMAX, el número de sı́mbolos disponibles para el downlink (Eq. 5.4) y el uplink (Eq. 5.5) queda como: (Tf − T T G − RT G) · f DL TOF DM (5.4) (Tf − T T G − RT G) · (1 − f DL ) TOF DM (5.5) SPDL HYB = SPDL HYB = Por un lado, la trama de downlink DL está compuesta por dos subtramas. La subtrama de control y la subtrama de datos para downlink. La subtrama de control está compuesta por: - Preámbulo. Intervalo sin usar cuya duración es de 2 sı́mbolos. - FCH (Frame Control Header). Se trata de una cabecera que da información sobre la trama y contiene el DLFP (Downlink Frame 5.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.16 Prefix). El DLFP especifica el perfil de ráfaga burst profile y la longitud de las distintas ráfagas transmitidas en la subtrama de datos del downlink. - DCD (Downlink Channel Descriptor). Esta cabecera es el descriptor del canal fı́sico del downlink y aporta información sobre los burst profiles permitidos en el downlink, la frecuencia central del downlink, el identificador de la BS,etc. El campo DCD no se envı́a en todas las tramas si no que es enviado cada 1200 ms. Tiene una longitud en bits DL DL , donde Nburst es el número de ráfagas para de bDCD = 16 + 24 · Nburst downlink reservadas en el intervalo. En el caso enlaces punto a punto DL = 7. donde sólo hay un usuario el estándar define Nburst - UCD (Uplink Channel Descriptor). Esta cabecera es el descriptor del canal fı́sico del uplink y de manera análoga que el DCD, aporta información sobre los burst profiles permitidos en el uplink, la frecuencia central del uplink, el identificador de la SS,etc. El campo UCD tampoco se envı́a en todas las tramas. Se envı́a cada 1200 ms y tiene una longitud UL UL , donde Nburst es el número de ráfagas en bits de bU CD = 16 + 24 · Nburst reservadas para uplink en el intervalo. En el caso enlaces punto a punto UL = 11. donde sólo hay un usuario el estándar define Nburst - DL-MAP/UL-MAP. Se trata de dos campos que definen el uso del DL/UL en la trama. Contienen los elementos de información DL-MAP IE y UL-MAP IE, los cuales detallan los intervalos que conforman cada una de las subtramas DL y UL. Estos elementos de información contienen: CID. El identificador de conexión al que va dirijido ese intervalo. DIUC/UIUC (Downlink/Uplink Interval Usage Code). Identifican el burst profile en términos de modulación y codificación, pues distintas ráfagas pueden usar distintas modulaciones. En estos campos se contemplan también mecanismos para coordinar MIMO y feedbacks basados en ARQ/HARQ. Duración total de la trama en número de tiempos de sı́mbolo TOF DM El tiempo en unidades de número de tiempos de sı́mbolo TOF DM donde comienza la región de tiempo especificada de la trama. El tamaño en bits de DL-MAP es de bDL−M AP = 64 + 32 · Nss , donde Nss s el número de estaciones subscriptoras presentes en la red. Como este análisis está simplificado para enlaces punto a punto, se considera un tamaño en bits de UL-MAP de bU L−M AP = 64 + 48 · (Nss + 2) = 208. Sin embargo, para el DL-MAP se optimiza haciendo que la información 131 132 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 relativa al scheduling cuya duración es de 64 bits vaya incluida en el campo DLFP del intervalo FCH, haciendo que bDL−M AP = 32. Adicionalmente, entre ráfagas de downlink existe de manera opcional un preámbulo corto cuya duración es 1 sı́mbolo OFDM. Por lo tanto, teniendo en cuenta esta estructura de subtrama de downlink, el número de sı́mbolos útiles disponibles para datos en downlink en la capa PHY es: DL SPDL HY = SP HYB − (P rembulo + F CH + SC + 1 · (Nss + 1)) (5.6) Siendo Nss = 1 para enlaces punto a punto y la longitud en número de sı́mbolos de la subtrama de control SC es: (bDL−M AP + bU L−M AP + fCD · (bDCD + bU CD )) SC = NDatos · rc · log2 Mc (5.7) En la trama de control se usan los niveles de modulación y codificación más robustos y, por lo tanto, Mc = 2 y rc = 1/2. La frecuencia de envı́o de los descriptores de canales fcd depende del tiempo de coherencia del canal y de la implementación y su valor influirá en cuanta sobrecarga habrá en la trama de downlink debida a los mensajes DCD y UCD. Por otro lado, en la trama de uplink también existen intervalos de control que reducen el número sı́mbolos disponibles para datos. Se trata de dos intervalos de contienda en el que se mandan los mensajes: - Initial Ranging. Se trata de un mensaje cuya finalidad es permitir a la SS registrarse en la BS y mantener el sincronismo con ella. Estos mensajes se envı́an siempre con la modulación y codificación más robusta y el tamaño en sı́mbolos es: SRN G = SRN G−OP · NRN G−OP S , donde SRN G−OP es la longitud de un mensaje de ranging y NRN G−OP S es el número de oportunidades asignadas al usuario en el proceso de contienda. Para el caso de enlaces punto a punto, NRN G−OP S = 1, es decir, una solicitud por trama. La duración de SRN G−OP depende de la distancia máxima permitida en la celda. Generalmente se calcula como: 2 × TP rop ) (5.8) SRN G−OP = max(1, Tof dm - Bandwidth request. Los mensajes de petición de ancho de banda permiten al usuario solicitar recursos en el uplink para cada conexión. El intervalo otorgado por la BS a la SS para transmitir datos se conoce como oportunidad de transmisión (TO) y definirá cada una de las ráfagas asignadas al usuario. La longitud del intervalo dedicado a la solicitud de ancho de banda es de 2 sı́mbolos. 5.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.16 133 Igual que en downlink, entre cada ráfaga de uplink existen de forma opcional preámbulos cortos que las separan. De esta manera, se puede calcular el número de sı́mbolos disponibles en la capa MAC según la Ec. 5.9: L L SPUHY = SPUHY − (SRN G + SBreq + 1 · (Nss + 1)) B (5.9) Por lo tanto, una vez que se tienen definidos los sı́mbolos disponibles para los enlaces de Dl y UL, se puede obtener la tasa binaria disponible en el nivel PHY como a nivel MAC. Si suponemos para simplificar que i es el ı́ndice que indica el sentido de la conexión: i ∈ {DL, U L} y que se define una ráfaga en un determinado sentido como B i , podemos obtener la expresión de la tasa fı́sica: bi (5.10) RPi HY = Tf donde bi es el número bits disponibles a nivel PHY en la dirección i. Este parámetro depende no sólo del número de sı́mbolos dedicados a las ráfagas de datos, si no también del nivel de modulación y codificación establecidos para una determinada QoS. Cada ráfaga de datos tiene una longitud de Sbi sı́mbolos OFDM cada uno modulado y codificado con Mbi y rbi respectivamente. Por lo tanto, bi se definirá como: biP HY = S i · Ndata · rbi · log2 (Mbi ) (5.11) y como el número sı́mbolos de datos de la trama S i es el agregado de todas las ráfagas, la tasa binaria total queda según la Eq. 5.12 y Eq. 5.13: i i S = B Sbi (5.12) b=1 ⎛ RPi HY = ⎝ i B ⎞ Sbi · Ndata · rbi · log2 (Mbi )⎠ · b=1 1 Tf (5.13) Sin embargo si particularizamos en enlaces punto a punto, podemos reducir la Eq. 5.13 a la Eq. 5.14 asumiendo que el número sı́mbolos en una dirección para un usuario se envı́a en la misma ráfaga, haciendo que S i = Sbi . 1 RPi HY = Sbi · Ndata · rbi · log2 (Mbi ) · Tf (5.14) Para calcular la tasa binaria que el nivel MAC ofrece a la capa IP es necesario calcular la sobrecarga por cabeceras u overhead que introduce el nivel MAC. Las cabeceras MAC de WiMAX son principalmente dos: CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 - Cabecera PDU. Las PDU a nivel MAC están compuestas por 6 bytes de cabecera, la carga o payload y un código de redundancia cı́clica (CRC) de longitud 4 bytes. Por lo tanto la sobrecarga por cabeceras MAC en las PDU normales será de OP DU = (6 + 4) · bits - Cabecera de packing PSH. Las SDU son PDUs del nivel superior que pueden ser agregadas a una sola PDU para ahorrar bits de control. Este mecanismo de agregación o packing incrementa notablemente el rendimiento cuando las PDUs provenientes del nivel superior son de pequeño tamaño. Para realizar este proceso de packing se eliminan las cabeceras de nivel superior de las SDUs y se añade una cabecera reducida o PSH (Packing SubHeader) de 16 bits. El formato de PDU a nivel MAC esta detallado en la Figura 5.2. 134 Figure 5.2: Esquema de PDU MAC en WiMAX cuando se realiza packing Cabe mencionar que existen más mensajes de control relativos a los ARQ/HARQ y funciones de señalización cuya frecuencia de aparición es del orden de 1 vez cada 10 minutos (Como por ejemplo los mensajes BSSMAP T13 o de solicitud de autenticación T17). Debido a que estos se envı́an como una PDU MAC normal y su influencia en el cálculo es mı́nima se ignorarán. Por lo tanto, para calcular el throughput a nivel MAC hemos de restar las cabeceras MAC y recalcular la tasa binaria disponible. Si suponemos que se realiza packing según la Figura 5.2, podemos denominar NPb DU como el b,p como el número de SDUs número PDUs enviadas en una ráfaga b, y NSDU en la PDU p de la ráfaga b. Entonces el overhead existente en una ráfaga b 5.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.16 135 en sentido i ∈ {DL, U L} es: NPb DU Obi = Ob,P AD + b,p OP DU + NSDU · OP SH (5.15) p=1 donde se ha añadido el elemento Ob,P AD el cual refleja el padding añadido para completar el último sı́mbolo OFDM de la ráfaga b. Si simplificamos para el caso de enlaces punto a punto, podemos asumir que sólo se enviará una PDU en cada ráfaga y por lo tanto una única cabecera MAC. Por lo b,p = NSDU ,es tanto, ahora Ob,P AD = OP AD y es necesario renombrar NSDU decir, no como el número de SDUs en la PDU p de la ráfaga b, sino como el número de SDUs en toda la subtrama DL, ya que en el caso de un usuario sólo habrá una ráfaga con una sola PDU. Por último también es necesario redefinir NSDU añadiendo la restricción de MTU para las SDUs según la Eq. 5.16: bi − OP DU (5.16) NSDU = P HY M T U + OP SH Tomando esto en consideración la sobrecarga serı́a notablemente menor y la expresión de la sobrecarga quedarı́a como la Eq. 5.17: Oi = OP AD + OP DU + NSDU · OP SH (5.17) Teniendo calculada la sobrecarga por cabeceras en cada ráfaga, podemos obtener la expresión del throughput que ofrece el nivel MAC. De igual manera, si consideramos un enlace punto a punto, podemos asumir el mismo esquema de codificación y modulación en todas las SDU ya que se envı́an en la misma ráfaga y por lo tanto renombraremos Mbi y rbi como M i y ri . Esto hace que la expresión final de throughput total a nivel MAC se defina según la Eq. 5.18. 1 i 1 i i = S i · Ndata · ri · log2 (M i ) − Oi · RM AC = bP HY − O · Tf Tf 5.1.2 (5.18) Modelado del Retardo Existen distintos modelos que analizan el retardo en las redes WiMAX. Para modelar la latencia en el peor caso posible se va considerar sólo el sentido uplink ya que es el que siempre introducirá un mayor retardo. Por lo tanto definiremos el retardo en WiMAX como el tiempo medio que transcurre desde que la SS recibe un paquete hasta que es recibido por la BS, entendiéndose de la misma manera el proceso inverso. El análisis del retardo requiere tanto conocer la tasa de transmisión del flujo por el que viajará el paquete, como conocer el nivel de carga del enlace. Por lo tanto, este modelado tendrá en CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 136 cuenta que la reserva de recursos para este flujo ya ha sido realizada y que el enlace trabajará por debajo del punto de saturación. De esta manera, el análisis podrı́a dividirse en dos: el retardo de paquetes que son transmitidos en una única trama y el retardo de paquetes que han sido fragmentados y enviados en distintas tramas. Sin embargo, es posible asumir que los paquetes fragmentados (sólo paquetes de tamaño mayor a 1400 serán fragmentados) son similares a los paquetes independientes que son transmitidos en una sola trama. Por lo tanto el retardo total de un paquete de tamaño mayor a 1400 bytes será la suma de los retardos de cada fragmento y, si asumimos esto, sólo será necesario modelar la latencia de paquetes transmitidos en una única trama. En los sistemas TDMA puros el retardo es analizado por modelos de colas donde las llegadas de paquetes son consideradas como procesos independientes con una distribución de Poisson. Sin embargo, WiMAX se considera un sistema TDMA/Polling ya que incluye mecanismos de reserva de recursos basados en polling unicast y ranging, gestión punto-multipunto y scheduling para uplink basado en CSMA/CA. Distintos modelos calculan el retardo de UL desde diferentes perspectivas. Como este proyecto se enfoca en el uso de WiMAX para enlaces punto a punto, se tomará como referencia el modelo seguido por [67]. En este modelo, la tasa de llegada de paquetes a la SS λ es la tasa general de llegada de paquetes al sistema ya que suponemos sólo una estación subscriptora. El tiempo de trama Tf se divide en Td (subtrama downlink) y en Tu (subtrama uplink), y para el caso del UL Tu = Tri + Tud , siendo Tri el intervalo de ranging y Tud el intervalo de para datos de uplink. Si además suponemos que la BS realiza el polling (se reservan recursos TDMA) una vez por trama y que sólo hay una SS, podemos asumir que la duración del slot de ranging α es igual al intervalo de Tri y que la duración del intervalo dedicado para datos uplink es: Tud = Tu − Tri = Tu − α (5.19) Por último, se define el factor de uso de los recursos por parte de la SS como: ρ = λTf < 1 (5.20) Teniendo esto en cuenta, el retardo medio absoluto puede ser descompuesto en los 5 términos mostrados en la Eq. 5.21. E[W ] = E[W r ] + α + E[W s ] + E[W t ] + μ donde: (5.21) 5.1. MODELADO TEÓRICO IEEE 802.16 137 - E[W r ] Retardo de reserva esperado. W r es el tiempo que un paquete espera en el buffer para ser enviado y por lo tanto E[W r ] es la esperanza de dicho valor. - α Tiempo de transmisión de una solicitud BW-Req. Como las solicitudes de ancho de banda son enviadas siempre usando la BSPK 1/2 (Mc = 2 y rc = 1/2), este valor puede ser aproximado a un valor constante de 114 μs - E[W s ] Retardo de scheduling esperado. W s es el tiempo que transcurre desde que el BW-Req es enviado hasta que el recurso es concedido y por lo tanto E[W s ] es la esperanza de dicho valor. - E[W t ] Retardo de encolamiento esperado. W t es el tiempo de espera de un paquete en el baffer mientras otros son enviados. Este valor depende de la carga y del tamaño del buffer y por lo tanto E[W t ] es su esperanza. - μ Tiempo de transmisión de un paquete. Este valor se puede aproximar como el tamaño medio de paquete η dividido entre la tasa de transmisión del canal para datos en ese instante β y por lo tanto: μ= η β (5.22) El valor β es el calculado en la Eq. 5.2 y se considera constante para todos los paquetes de un mismo flujo. Debido a que desde el punto de vista de la SS cada envı́o de paquete comienza al inicio del envı́o del BW-Req a la BS, existen tiempos de servicio y tiempo de espera. Por lo tanto, el comportamiento de la SS será modelado por un sistema de encolado M/D/1 con espera, donde el tiempo de servicio y espera son deterministas e iguales a Tf . El retardo de reserva W r es entonces igual a al tiempo de espera en este sistema de encolado. Si aplicamos la expresión de la media del tiempo de espera según [82], obtenemos que: E[W r ] = Tf 2(1 − λTf ) (5.23) El retardo de scheduling W s es causado cuando las asignaciones de BW de la BS, generadas por los BW-Req, se encolan para su procesado y posterior envı́o. Estas asignaciones ocurren de forma estadı́sticamente dependiente, haciendo que no exista un sistema de encolado que lo describa totalmente. Sin embargo, el hecho de procesar los BW-Req hace que exista una cierta CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 138 regularidad a la hora de enviar las asignaciones de BW y que exista un lı́mite superior establecido por el tiempo de servicio de un sistema M/D/1 como el anterior mostrado en la Eq. 5.20. De esta manera podemos acotar superiormente el retardo de scheduling W s aplicando la media al tiempo de servicio según: λTf2 E[W ] ≤ 2(1 − λTf ) s (5.24) El retardo de encolamiento es el intervalo de tiempo existente entre que la asignación de BW de la BS llega hasta el inicio de la transmisión del paquete correspondiente de la sub-trama UL. Este retardo se puede acotar superiormente aproximando al retardo del peor caso, el cual se da cuando hay que esperar una trama entera para poder enviar. Este cálculo que es más complejo cuando existen más de una SS, en enlaces punto a punto se simplifica según: E[W t ] ≤ Tf (5.25) Por lo tanto, una vez que tenemos todos los términos de la Eq. 5.19, sustituyendo obtenemos la expresión del retardo absoluto medio: λTf2 Tf E[W ] = +α+ + Tf + μ 2(1 − λTf ) 2(1 − λTf ) (5.26) En la Eq. 5.21 se puede apreciar que los términos que más influyen en el retardo total son W r y W t , por lo que se deduce que el parámetro que más influenciará el retardo total medio en el envı́o de un paquete es la Tf Por último cabe mencionar que el modelo de [67] está limitado una única conexión por SS y se centra en flujos de servicio nrtPS. Existen otros modelos como [69] y [68] que analizan la latencia con otras suposiciones y para otros tipos de flujos. Sin embargo los resultados finales son muy similares a [67]. 5.2 Validación del simulador ns-3 para IEEE 802.16 Al igual que se hizo con WiFi, se usará el módulo de WiMAX del simulador ns-3 para contrastar los valores obtenidos por el modelo y las pruebas experimentales, aportando nueva información en aquellas situaciones en que tanto el modelo como los experimentos no pueden ser usados. Las simulaciones se basarán generalmente en la inyección de flujos bidireccionales 5.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.16 UDP entre la BS y la SS durante 15 segundos cada una. Aunque la tasa de inyección puede ir variando siguiendo un determinado proceso estocástico se considerará constante, estableciendo un determinado tamaño de paquete. Al igual que antes, para variar la carga de un enlace será necesario realizar simulaciones con distintos valores de inyección repetidamente con la precisión requerida en cada simulación. La capa MAC se configurará activando el packing y ajustando el tamaño de trama deseado. En la capa PHY se variarán distintos parámetros (modulación, ancho de banda, etc.) y se considerará una RSSI constante de 0dBm para obviar aspectos del balance de enlace. Para comprobar la validez del simulador se probará la respuesta del enlace con la carga en términos de throughput, retardo, jitter y pérdida de paquetes ası́ como la respuesta con la distancia. 5.2.1 Estudio del punto de saturación Las siguientes figuras muestran el comportamiento del módulo de WiMAX de ns-3 cuando se simula un enlace punto a punto donde la carga del enlace varı́a. Para ello se ha configurado un enlace con la modulación BPSK 1/2 y CP=1/4, trama de 2.5 ms con división UL/DL al 50% y se ha inyectado un flujo bidireccional UDP de tamaño de paquete 1400 bytes a nivel IP. La Figura 5.3 muestra la evolución del throughput con la carga hasta 3.3 Mbps que es prácticamente la tasa máxima a nivel fı́sico dada por la Eq. 5.2. Figure 5.3: Simulación del throughput UL+DL en función de la carga en un enlace WiMAX 139 140 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 En esta Figura 5.3 se muestra un throughput UL+DL simulado en un enlace de bajada. Se alcanzan valores de 2.4 Mbps en saturación acordes con los resultados obtenidos del modelo según la Eq. 5.18. La Figura 5.4 muestra la evolución del retardo respecto a la carga en este mismo enlace. Se puede apreciar que el retardo obtenido por debajo del punto de saturación es acorde también con el modelo de retardo propuesto. Según la Eq. 5.26 este valor es aproximadamente el doble del tiempo de trama 2 × Tf . Este valor de retardo es constante hasta alcanzar el punto de saturación, situado en torno al 90%. En este caso un 100% carga equivale a la tasa binaria a nivel MAC máxima para BSPK 1/2 y trama de 2.5 ms, dado por la anteriormente calculada Eq. 5.18. Figure 5.4: Simulación del retardo en función de la carga en un enlace WiMAX La pérdida de paquetes mostrada en la Figura 5.5 se comporta de manera similar. Las pérdidas de paquetes son nulas ya que en el simulador se está asumiendo un canal ideal , y se incrementan notablemente a partir de aproximadamente el 90% de carga, siendo el 100% 2.4 Mbps. Por último, la Figura 5.6 muestra la evolución del jitter con la carga en el enlace simulado. A diferencia de lo que sucedı́a en las tecnologı́as WiFi basadas en CSMA/CA donde el jitter era muy bajo por debajo del punto de saturación y crecı́a notablemente a partir de éste, en WiMAX al ser una tecnologı́a TDMA, el jitter sufre un comportamiento distinto. 5.2. VALIDACIÓN DEL SIMULADOR NS-3 PARA IEEE 802.16 Figure 5.5: Pérdidas en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. A niveles bajos de carga el jitter es alto debido a los mecanismos de polling/ranging de la SS existiendo una cierta incertidumbre. Sin embargo conforme la carga aumenta el jitter se reduce hasta converger a un determinado valor en el punto de saturación donde, debido a la periodicidad de las tramas TDMA, la variación del retardo es muy baja y de naturaleza determinista. Figure 5.6: Jitter en función de la carga en un enlace NV2 para tramas de 10 ms. 141 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 142 5.2.2 Dependencia con la distancia En las simulaciones de un enlace punto a punto WiMAX a distancia cero se han obtenido comportamientos y valores acordes al modelo de throughput y retardo detallado en los Capı́tulos 5.1.1 y 5.1.2. Sin embargo, el simulador no responde adecuadamente cuando se simulan enlaces de distancias distintas a cero. Como se puede apreciar en la Figura 5.7, el resultado de la simulación para enlaces de hasta 60 Km no corresponde a lo que predice el modelo mencionado en el Capı́tulo 5.1.1. Figure 5.7: Throughput de saturación UL+DL en función de la distancia en un enlace WiMAX. Al igual que en las pruebas de carga, se ha simulado un enlace WiMAX con BPSK 1/2, división UL/DL al 50%, trama de 2.5 ms y CP=1/4 y se ha inyectado un flujo UDP de 1400 bytes a nivel IP desde la BS hasta la SS. En esta ocasión se ha ido variando la distancia del enlace, pero no se observan cambios en el throughput de saturación obtenidos. Según el modelo, los intervalos TTG y RTG y el intervalo de Ranging en la subtrama uplink dependen de la distancia. Esto provoca una pequeña reducción de throughput con la distancia y ası́ lo refleja el modelo. Sin embargo, en el simulador estos campos están fijos, siendo la duración de los intervalos TTG y RTG 100 μs y el intervalo de Ranging de una duración de 8 sı́mbolos OFDM constantemente para todas las distancias. Estas diferencias entre simulador y modelo a corta distancia son muy pequeñas; sin embargo, a distancias de 60 Km, el simulador pueden dar throughputs con un error respecto al modelo de hasta un 20% para tramas cortas. 5.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.16 Estos resultados muestran que hasta la fecha el modelo de WiMAX para ns-3 no es adecuado para analizar el comportamiento de dichos enlaces para larga distancia. 5.3 Resultados para IEEE 802.16 Para caracterizar los enlaces WiMAX de corta distancia se va a hacer uso del simulador, de las pruebas experimentales y del modelo teórico, mientras que para largas distancias sólo se va a considerar como válido el modelo teórico debido a que es más preciso que el simulador y a la imposibilidad de establecer enlaces WiMAX de larga distancia en redes reales. Las diferencias entre el modelo, el simulador y los experimentos se muestran en las Figuras 5.8 y 5.8. El throughput UL+DL a distancia cero para las distintas modulaciones se muestra en la Figura 5.8 donde cada una viene representada en forma de su eficiencia espectral. La eficiencia espectral es la tasa de transmisión entre el ancho de banda pero se puede calcular de forma simplificada como E = r · bs donde r es la tasa de codificación y bs es el número de bits por sı́mbolo de la modulación. De esta manera las eficiencias: 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4 y 4,5 corresponden a las modulaciones BPSK 1/2, QPSK 1/2, QPSK 3/4, 16QAM 1/2, 16QAM 3/4, 64QAM 2/3 y 64QAM 3/4 respectivamente. En esta figura se muestra el throughput de un enlace con trama de 2.5 ms de duración cuando se inyecta un flujo UDP de tamaño de paquete 1400 bytes a nivel IP y la relación entre Ul/DL es del 50% . Figure 5.8: Valores de throughput UL+DL de un enlace WiMAX de distancia cero para las distintas modulaciones calculados mediante modelo, simulador y experimentos. 143 144 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 En la Figura 5.8 sin embargo se muestra la evolución del throughput UL+DL con la distancia, esta vez sólo para la modulación BPSK 1/2. El resto de parámetros son los mismos que los de la Figura 5.7. Figure 5.9: Valores de throughput UL+DL de un enlace WiMAX para cada distancia calculados mediante modelo, simulador y experimentos. La Figura 5.8 muestra como, para distancias grandes, el simulador da valores de throughput muy por encima de lo que teóricamente predice el estándar, siendo esta diferencia mayor en las modulaciones superiores. A distancia cero, se aprecia igual que en la Figura 5.8, que los valores del modelo, del simulador y de los experimentos coinciden. El valor de throughput no sólo depende de la modulación, sino también de la duración de la trama y del prefijo cı́clico. Para ver la influencia de estos parámetros en el throughput cuando la distancia es cero, se muestra la figura 5.10. 5.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.16 Figure 5.10: Throughput UL+DL a distancia cero en WiMAX para distintos valores de CP y duración de trama. Sin embargo, es la duración de la trama la que influye más en el comportamiento del enlace. Para ilustrar esto, la Figura 5.10 muestra la variación del throughput UL+DL con la distancia para distintos valores de trama. En este caso, se considera la modulación BPSK 1/2, división UL/DL del 50%, CP=1/4 y un flujo UDP de paquetes con tamaño 1400 bytes a nivel IP. Figure 5.11: Variación de throughput UL+DL de WiMAX con la distancia para distintos valores trama. 145 146 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 En la Figura 5.11 se puede ver claramente como para valores grandes de trama el throughput no decae prácticamente con la distancia, mientras que para valores pequeños la caı́da es considerable. Esto es debido a que los campos que dependen de la distancia tienen una duración fija y se hacen casi despreciables cuando se aumenta la duración de la trama. Esto hace que, al aumentar el tamaño de la trama 1 orden de magnitud, por ejemplo de 2.5 ms a 20 ms, el efecto de la caı́da de throughput con la distancia sea también un orden de magnitud menor, es decir, unas 10 veces menos. Para el caso de tramas grandes como 20 ms los resultados del modelo son muy similares a los de la simulación con ns-3 debido a que esta caı́da con la distancia es muy pequeña. Para dar valores de referencia para las distintas configuraciones de duración de trama, prefijo cı́clico y modulación en las Tablas 5.2 y 5.3 se muestran los valores de throughput UL+DL. Throughput ( Mbps ) CP = 1/4 BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 2/3 64 QAM 3/4 Duración de trama 2.4 ms 2.51 5.12 7.73 10.33 15.55 20.76 23.37 4 ms 2.86 5.78 8.71 11.63 17.48 23.33 26.26 5 ms 2.98 6.01 9.04 12.07 18.12 24.19 27.21 8 ms 3.16 6.34 9.53 12.72 19.09 25.47 28.66 10 ms 3.21 6.44 9.67 12.90 19.36 25.82 29.05 12 ms 3.26 6.53 9.81 13.08 19.63 26.18 29.46 20 ms 3.33 6.68 10.03 13.37 20.06 26.75 30.10 Tabla 5.2: Throughput UL+DL en wimax a distancia cero con CP=1/4 para las distintas modulaciones y duraciones de trama Throughput ( Mbps ) CP = 1/32 BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 2/3 64QAM 3/4 Duración de trama 2.4 ms 3.20 6.50 9.79 13.09 19.69 26.29 29.58 4 ms 3.56 7.18 10.80 14.42 21.66 28.89 32.51 5 ms 3.67 7.39 11.11 14.83 22.27 29.71 33.43 8 ms 3.86 7.76 11.65 15.55 23.34 31.12 35.02 10 ms 3.94 7.89 11.85 15.81 23.73 31.65 35.61 12 ms 3.97 7.97 11.96 15.96 23.95 31.93 35.93 20 ms 4.06 8.13 12.20 16.27 24.40 32.54 36.61 Tabla 5.3: Throughput UL+DL en wimax a distancia cero con CP=1/32 para las distintas modulaciones y duraciones de trama 5.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.16 La duración de trama no sólo tiene un efecto en el throughput con la distancia, sino también está implı́citamente relacionado con el retardo. Como se detalló en el Capı́tulo 5.1.2, el retardo depende en su mayor medida de la duración de la trama. Esto hace inviable aumentar demasiado el tamaño de trama para evitar los efectos de la distancia en el trhoughput ya que implicarı́a un aumento significativo del retardo. La variación del retardo según la duración de la trama se ha obtenido con el simulador y se muestra en las Figuras 5.12 y 5.13 para CP=1/4 y CP=1/32 respectivamente. Figure 5.12: Latencia en WiMAX en función del tamaño de la trama para CP=1/4 Figure 5.13: Latencia en WiMAX en función del tamaño de la trama para CP=1/32 147 148 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 Estos valores dependen en gran medida del scheduler usado por la BS y del tipo de flujo de tráfico. En nuestros caso, hemos escogido el peor caso, un scheduler simple y tráfico nRTPS. De esta manera, la SS tiene que solicitar ancho de banda periódicamente para poder transmitir, introduciendo por ello un retardo. Esto hace que el retardo absoluto sea de aproximadamente el doble de la duración de la trama. Se puede apreciar que la Figura 5.12 muestra valores mayores que la figura 5.13. Esto es debido a que en la 5.13, al haberse simulado con un prefijo cı́clico menor, el aprovechamiento de los sı́mbolos es mayor, la tasa de transmisión aumente, y el retardo debido a la transmisión disminuya. En ambas figuras se ha empleado BPSK 1/2, sin embargo, el uso de otras modulaciones también puede mejorar ligeramente el retardo absoluto del enlace. El estudio del retardo también es importante en los enlaces WiMAX para evitar las condiciones de saturación. Por este motivo a continuación se muestran la serie de Figuras 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 y 5.19. Todas ellas muestran los valores obtenidos mediante experimentación del throughput, retardo, jitter y pérdida de paquetes en función de la carga. Se trata de un enlace a distancia cero con la modulación BPSK, división UL/DL al 50% y CP=1/4 al que se le ha inyectado un flujo UDP de paquetes con tamaño 1400 bytes a nivel IP. Adicionalmente se muestran distintos valores de trama para ver su influencia en los parámetros de QoS del enlace. Figure 5.14: Evolución del throughput UL en WiMAX con la carga 5.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.16 Figure 5.15: Evolución del throughput DL en WiMAX con la carga Las Figuras 5.14 y 5.15 muestran como una vez alcanzado el punto de saturación el throughput deja de crecer linealmente y se mantiene constante. Este punto de saturación se encuentra en torno al 90% de la máxima tasa disponible. Por ejemplo, para la trama de 2.5 ms los valores de Throughput UL y DL son 1.23 Mbps y 1.14 Mbps respectivamente. Si buscamos los puntos de saturación de ambas curvas vemos que se presentan para una carga de en torno a 1.1 Mbps en UL y 1 Mbps en DL. Figure 5.16: Latencia UL en función de la carga en un enlace WiMAX 149 150 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 Figure 5.17: Latencia DL en función de la carga en un enlace WiMAX Acorde con esto, en las Figuras 5.16 y 5.17 se comprueba que el retardo se dispara precisamente en esos puntos. También se puede observar que el retardo permanece prácticamente inalterable por debajo del punto de saturación, siendo mayor para la trama de 20 ms. Las Figuras 5.18 y 5.19 muestran la evolución del jitter con la carga. Como habı́amos visto también en la Figura 5.6 el jitter tiene a estabilizarse en las tecnologı́as TDMA, y este comportamiento es el que se observa , siendo muy irregular por debajo del punto de saturación pero alcanzando valores fijos a partir de este punto. 5.3. RESULTADOS PARA IEEE 802.16 Figure 5.18: Jitter UL en función de la carga en un enlace WiMAX Figure 5.19: Jitter DL en función de la carga en un enlace WiMAX Por último, cabe mencionar que las pérdidas de paquetes no se muestran ya que para todos los experimentos han sido nulas. Esto es debido a que los equipos prefieren retardar los paquetes en lugar de descartar los paquetes. Como los equipos tienen colas relativamente grandes, nunca se llegan a desbordar, por lo que no se producen pérdidas. Sin embargo, este comportamiento se podrı́a modificar, reduciendo las colas para reducir el retardo, pero provocando una mayor tasa de pérdida de paquetes. Esto puede afectar negativamente al tráfico que circule por el enlace, por lo que siempre será necesario trabajar por debajo de la zona de no saturación. 151 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 152 Según este planteamiento, la Figura 5.20 muestran los valores de throughput UL+DL en saturación y en no saturación en función de la distancia. De esta manera se puede caracterizar el rendimiento real del enlace en situaciones de retardo acotado en función de la distancia. En este caso, el enlace se ha configurado con BPSK 1/2, trama de 2.5 ms, división UL/DL del 50% y CP=1/4 y se le ha inyectado un flujo UDP de paquetes de tamaño 1400 bytes. Figure 5.20: Throughput UL+DL en saturación y en no saturación en función de la idstancia para WiMAX. Teniendo en cuenta que el valor del throughput con retardo acotado es aproximadamente un 10% menor que el throughput de saturación, se espera que para otros tamaños de trama, el throughput con retardo acotado apenas varı́e con la distancia al igual que el throughput de saturación. 5.4 5.4.1 Discusión de resultados Rendimiento de IEEE 802.16 Como se ha visto en el Capı́tulo 5.3, los enlaces WiMAX se comportan como otras tecnologı́as TDMA/Polling como las anteriormente vistas NV2 y AirMAX. Sin embargo, debido a que WiMAX es un estándar y su funcionamiento es conocido, se puede modelar y prever cual su funcionamiento de manera teórica sin necesidad de realizar experimentos en escenarios reales, generalmente procesos largos y costosos. Si adicionalmente 5.4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS validamos el modelo tanto con simulaciones como con medidas experimentales podemos obtener una buena caracterización de este tipo de enlaces. WiMAX ofrece máximas tasas de throughput de hasta 36 Mbps en el mejor de los casos, siempre que se usen canales de 10 MHz y no se use MIMO. Aunque no alcanza los valores de WiFi en lo que a thorughput se refiere, una de las ventajas que tiene WiMAX es que soporta tramas de hasta 20 ms haciéndola muy resistente a los efectos de la distancia, como hemos visto en la Figura 5.15. Sin embargo, el uso de tramas grandes puede afectar negativamente en el retardo absoluto. El compromiso entre throughput de los enlaces y ,por lo tanto, máxima distancia por un lado, y retardo absoluto del enlace por otro, ha de ser alcanzado teniendo en cuenta el máximo tráfico a cursar, el número de enlaces WiMAX y el máximo retardo permitido extremo a extremo. Estos aspectos se detallarán más adelante en el Capı́tulo 8. 5.4.2 QoS en WiMAX PtP Al estudio de la QoS en enlaces WiMAX no se le ha dado importancia, al igual que en el Capı́tulo 4 debido a que en el modo punto a punto, la gestión de flujos y usuarios no es importante. Por un lado, sólo existe una SS, por lo que no existirá diferenciación de usuarios y todos los recursos de la trama serán dedicados a esa SS. Por otro lado, debido a que se considera WiMAX como tecnologı́a de backhaul, la diferenciación de flujos tiene menos importancia. Al tratarse de una red IP los mecanismos de QoS de nivel 2 aportados por WiMAX son superfluos ya que la capa IP ya aplica diferenciación de tráfico. Aunque siempre será posible el mapeo de las clases de servicio de IP a las de WiMAX. En redes de acceso punto-multipunto el QoS en WiMAX sı́ tiene una importancia vital ya que influirá en el scheduling y en la gestión de usuarios, asignando más o menos recursos a distintos flujos de distintos usuarios. Por tanto, la principal prioridad es mantener el nivel de carga del enlace por debajo del 90%, de modo que se trabaje por debajo del punto de saturación y tanto la pérdida de paquetes como el retardo estén acotados. Teniendo esto en cuenta, aunque se puedan mapear las clases de tráfico al nivel IP a las de WiMAX, en redes de backhaul siempre será aconsejable trabajar con flujos prioritarios UGS que no necesiten mecanismos de Polling/Ranging para usar los recursos del canal fı́sico. El uso de las otras clases de tráfico (RTPS, nRTPS y BE) aunque hacen uso de la asignación de ancho de banda periódica, no implica un empeoramiento significativo del rendimiento. Esto es debido a que al haber solamente una SS no hay mecanismos de ranging por CSMA/CA y en cada trama se reservará ancho de banda para la trama previa de modo que la reducción del rendimiento es mı́nima. 153 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 154 De esta manera, se considera que lo más adecuado para usar WiMAX como enlaces de backhaul es usar mecanismos QoS a nivel IP y usar la clase más prioritaria, UGS, para transmitir todo el tráfico en WiMAX, independientemente de la clase. Trabajando de esta forma, se asegura un funcionamiento óptimo en el nivel de enlace mientras que se aseguran los parámetros QoS para las distintas clases de tráfico en el nivel IP. 5.4.3 Influencia de las capas fı́sicas Al igual que con WiFi, es necesario tener en consideración las distancias alcanzables con WiMAX según las restricciones de las capas fı́sicas. Si queremos trabajar con bitrates elevados siempre será aconsejable usar modulaciones altas. Sin embargo, las restricciones del enlace dificultan trabajar con modulaciones de alto nivel en enlaces de larga distancia. Para mostrar en WiMAX qué modulaciones se pueden usar en y a qué distancia, se ha estimado en las Tablas 5.5 y 5.6 la viabilidad de cada modulación de acuerdo a los niveles de RSSI y la sensibilidad del receptor en cada familia del estándar. Para obtener estos valores se ha usado la aproximación de campo lejano para el modelo de propagación de espacio libre según la Eq. 5.11 y el balance de enlace de la Eq. 5.12: PLOSS = 92.4 + 20 · log(D(Km)) + 20 · log(F (GHz)) log (5.27) SN R = S − PT X + GT X + GRX − PLOSS − 2 · Attc (5.28) Siendo PT X la potencia de transmisión en dBm, GT X y GT X las ganancias de antenas Tx y Rx respectivamente, PLOSS las pérdidas por propagación en el espacio libre y Attc las pérdidas en los conectores. Los parámetros fı́sicos WiMAX considerados en cada banda de frecuencia se muestran en la Tabla 5.6, donde se consideran tanto la banda licenciada de 3 GHz como la no licenciada de 5 GHz. Estos parámetros han sido escogidos según la disponibilidad de equipos (antenas tı́picas con ganancias de entre 27 y 25 dB según la frecuencia de trabajo) y las regulaciones existentes en esas bandas según la FCC. Al igual que con WiFi, se considera una máxima de potencia de transmisión permitida de 24 dBm para la banda no licenciada de 5 GHz. Para el caso de la banda de 3GHz, la FCC permite elevar la potencia de transmisión hasta los 36 dBm en la mayorı́a de los paı́ses debido a tratarse de una banda licenciada. Las pérdidas por conectores tı́picamente son de 2dB y se ha considerado un margen de 20 dB para asegurar la estabilidad del enlace. Las sensibilidades de cada estándar se han obtenido de equipos reales disponibles en el mercado [70]. 5.4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 155 En las Tablas 5.5 y 5.6 se muestra el margen M existente entre RSSI y Sensibilidad para las distintas capas fı́sicas. Según este margen se asignan los colores: - Verde: M > 20dB → Viable - Amarillo: 15dB > M > 20dB → Incertidumbre - Verde: 15dB > M → No viable De esta forma se puede ver gráficamente hasta qué distancia un enlace es viable a una determinada modulación. En las filas superiores se muestran las distancias en Km, las pérdidas por propagación en espacio libre (Loss) y el nivel de potencia recibida en dBm (PRX ). Las columnas de la izquierda muestran la tasa fı́sica y la sensibilidad del receptor según cada estándar. Parámetro Potencia de Transmisión PT X Ganancia Antenas GT X y GRX Pérdidas por conectores Attc Margen (M) Frecuencia Ancho de banda Banda 3 GHz 36 dBm 25 2 dB 20 dB 3400 MHz 7 MHz Banda 5GHz 24 dBm 27 2 dB 20 dB 5400 MHz 10 MHz Tabla 5.4: Parámetros PHY usados para calcular el balance de enlace WiMAX Mode BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 2/3 64QAM 3/4 Km Loss PRx S 1 103 -27 5 117 -41 10 123 -47 15 127 -51 20 129 -53 25 131 -55 30 133 -57 35 134 -58 40 135 -59 45 136 -60 50 137 -61 55 138 -62 60 139 -63 -100 73.0 59.0 53.0 49.4 46.9 45.0 43.4 42.1 40.9 39.9 39.0 38.1 37.4 -95 68.0 54.0 48.0 44.4 41.9 40.0 38.4 37.1 35.9 34.9 34.0 33.1 32.4 -91 64.0 50.0 44.0 40.4 37.9 36.0 34.4 33.1 31.9 30.9 30.0 29.1 28.4 -89 62.0 48.0 42.0 38.4 35.9 34.0 32.4 31.1 29.9 28.9 28.0 27.1 26.4 -85 58.0 44.0 38.0 34.4 31.9 30.0 28.4 27.1 25.9 24.9 24.0 23.1 22.4 -80 53.0 39.0 33.0 29.4 26.9 25.0 23.4 22.1 20.9 19.9 19.0 18.1 17.4 -79 52.0 38.0 32.0 28.4 25.9 24.0 22.4 21.1 19.9 18.9 18.0 17.1 14.9 Tabla 5.5: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en WiMAX en la banda de 3 GHz CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 156 WiMAX Mode BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 1/2 16QAM 1/2 16QAM 3/4 64QAM 2/3 64QAM 3/4 Km Loss PRx S 1 107 -33 5 121 -47 10 127 -53 15 131 -57 20 133 -59 25 135 -61 30 137 -63 35 138 -64 40 139 -65 45 140 -66 50 141 -67 55 142 -68 60 143 -69 -92 59.0 45.0 39.0 35.4 32.9 31.0 29.4 28.1 26.9 25.9 25.0 24.1 23.4 -89 56.0 42.0 36.0 32.4 29.9 28.0 26.4 25.1 23.9 22.9 22.0 21.1 20.4 -86 53.0 39.0 33.0 29.4 26.9 25.0 23.4 22.1 20.9 19.9 19.0 18.1 17.4 -83 50.0 36.0 30.0 26.4 23.9 22.0 20.4 19.1 17.9 16.9 16.0 15.1 14.4 -80 47.0 33.0 27.0 23.4 20.9 19.0 17.4 16.1 14.9 13.9 13.0 12.1 11.4 -76 43.0 29.0 23.0 19.4 16.9 15.0 13.4 12.1 10.9 9.9 9.0 8.1 7.4 -74 41.0 27.0 21.0 17.4 14.9 13.0 11.4 10.1 8.9 7.9 7.0 6.1 5.4 Tabla 5.6: Viabilidad de enlaces punto a punto para distintas distancias en WiMAX en la banda de 5 GHz La principal diferencia entre las Tablas 5.5 y 5.6 es que en la banda de 3 GHz se consiguen mejores niveles de recepción. Esto es debido a distintos factores. Por un lado la FCC permite elevar la transmisión de potencia en esa banda hasta los 36 dBm, más de 10 dBm de los permitidos en la banda de los 5 GHz. Por otro lado, los equipos que cumplen con el perfil WirelessHUMAN en la banda de 3 GHz tienen un ancho de banda máximo de 7 MHz. Esto hace que al tener un ancho de banda menor, el ruido en el receptor es menor, por lo tanto, los equipos tienen mejor sensibilidad y el margen entre potencia recibida y sensibilidad es mayor. Según [70] existen unos 5 dBm de diferencia al usar un ancho de banda menor, sin embargo, este parámetro es muy dependiente del fabricante de equipos. El hecho de trabajar a una frecuencia menor no implica necesariamente una mejora en el balance del enlace. Al igual que pasaba en la banda de 2.4 GHz, en la banda de 3 GHz existen menores niveles de atenuación que en la banda de 5 GHz. Sin embargo, las antenas disponibles en la banda de 3 GHz tienen menor ganancia que en la banda de 5 GHz, por lo que ambos efectos quedan compensados, haciendo que las verdaderas diferencias residan en la potencia de transmisión y la sensibilidad en el receptor. Por último, es necesario comentar que usando la banda de frecuencia de 3 GHz se incrementa significativamente el alcance del enlace y la estabilidad para todas las distancias. Sin embargo, también la tasa fı́sica disponible en esta banda es menor debido a que el uso de un ancho de banda de 7 MHz reduce el número de sub-portadoras útiles. De igual manera, se podrı́an usar anchos de banda de 3.5 MHz tanto en la banda de 3 GHz como la de 5 GHz intercambiando sensibilidad del receptor por tasa binaria fı́sica disponible. 5.4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.4.4 Costes: CAPEX y OPEX Al igual que se hizo en el Capı́tulo 4.7.3 se va a realizar una breve caracterización en términos de costes de la tecnologı́a WiMAX analizando tanto los costes fijos (CAPEX) como los variables (OPEX). Para realizar una aproximación de los costes de WiMAX también se van tomar como referencia las redes rurales desplegadas en el Napo y Balsapuerto por el GTR de la PUCP, pero ajustando el estudio para equipos WiMAX. CAPEX En las tecnologı́as WiMAX podemos definir el CAPEX como el conjunto de: - Equipos de comunicaciones. El precio de los equipos WiMAX hace unos años suponı́an una barrera respecto a otras tecnologı́as. Hoy en dı́a debido a su amplio uso en todo el mundo su precio es asequible y comparable al resto de tecnologı́as de sus mismas caracterı́sticas. Considerando una estación base Albentia PRO-BS-1150 y una estación subscriptora Albentia PRO-SU-115 en cada extremo del enlace se estime el coste total en 1500 $USD. Si añadimos el coste de antenas externas directivas el coste total llega a $2000 USD aproximadamente. El uso de MIMO 2x2 de polarización cruzada requerirı́a antenas especiales por lo que se podrı́a considerar un sobre coste del 50% del coste para SISO. - Sistemas de energı́a. Los sistemas de energı́a rurales generalmente necesitan se autónomos ya que no existen redes de energı́a disponibles en la ubicación de los nodos. Por lo tanto si suponemos sistemas autónomos de energı́a se ha de considerar un coste proporcional a la demanda de energı́a. Los equipos WiMAX tienen un consumo bajo de energı́a, pero considerablemente mayor que en WiFi. Aunque depende del fabricante, un equipo WiMAX trabajando a máxima capacidad requerirá generalmente entre 12 y 18 W según [70]. Para posicionarnos en el peor caso, se van a considerar un consumo de 18W de forma permanente. El coste medio de un sistema autónomo fotovoltaico formado por paneles, baterı́as, regulador y cableado que asegure estos 18 W puede tener un coste medio de $5400 USD. Aunque esta cantidad puede variar ligeramente dependiendo de la situación geográfica y del clima tı́pico de la zona, pues según la radiación solar, mayor superficie de captación y mayor capacidad de almacenamiento serán necesarios para asegurar 18W las 24 horas de los 364 dı́as del año. - Infraestructuras de soporte. Para las infraestructuras de soporte se va considerar lo detallado en Capı́tulo 4.7.3 para WiFi. Por lo tanto 157 158 CHAPTER 5. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES INALÁMBRICOS 802.16 se asume un coste por cada torre de $15000 USD en materiales y de $10000 USD por transporte. - Sistemas de protección eléctrica y fı́sica. Se asumen costes por nodo de $2100 USD por protección eléctrica y $5000 USD por protección fı́sica. - Despliegue y pruebas. Por último es necesario considerar el precio relativo a la mano de obra en la instalación y la puesta en marcha del enlace. Este coste puede estar en torno a $5000 USD. Con esas consideraciones se puede calcular el CAPEX de un enlace con n saltos con la Eq. 4.13: CAP EX = (C + 300 · S + O) · (1 + n) (5.29) Donde C es el coste de los equipos de comunicaciones, S es el consumo de potencia en W, y O (Materiales + Protección Eléctrica + Protección Fı́sica + Transporte + Instalación) es el coste agregado de una torre contando materiales, protección transporte e instalación. Si ponemos números en Eq. 4.14 según los comentarios anteriores para un sólo enlace (2 torres) obtenemos un coste fijo de: CAP EX = (2000+300·18+(15000+2100+5000+10000+5000))·2 = 89000 (5.30) Según este presupuesto es es posible ver que los costes asociados a la tecnologı́a WiMAX y a su aprovisionamiento de energı́a es sólo del 8%, siendo la torre el elemento que más gasto conlleva. OPEX En lo que respecta al OPEX de WiMAX, podemos considerar: - Licencias de frecuencias. WiMAX trabaja puede trabajar tanto en bandas de frecuencias licenciadas como en no licenciadas por lo que según el modo de operación los gastos pueden variar. Debido al carácter rural de este proyecto se pretende que siempre que la legislación del paı́s lo permita, usar bandas de frecuencias no licenciadas para no tener coste alguno relativo a las licencias. De no ser posible, la empresa que opere la red deberá de hacerse cargo de estos costes. A modo de aproximación, según la CMT española el precio de una banda de 100 MHz en una banda licenciada como la de 3 GHz puede ser entre 1 ∼ 2 Millones de euros al año. [71] - Gestión de red. Dependiendo del sistema de gestión de red (NMS) implantado estos costes pueden ser muy bajos o muy altos. En este 5.4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 159 caso se considera que un servidor externo de gestión correctamente configurado puede costar relativamente poco, siempre que se usen alternativas de código abierto, gratuitas y estandarizadas como SNMP. - Mantenimiento proactivo. Generalmente es conveniente revisar los equipos antes de que fallen para reducir el número de ellos y en mayor medida, su impacto en la red en el caso de fallo. - Mantenimiento reactivo. Cuando el mantenimiento proactivo falla, es necesario realizar la reparación. El coste de reparación de estos fallos puede ser muy bajo o muy alto y pueden suceder constantemente o prácticamente nunca. - Material de reserva. Dependiendo del nivel de robustez y de rapidez de respuesta a fallos deseado este coste será mayor o menor. De forma aproximada se puede calcular el OPEX según Eq. 6.3, es decir una fracción del 5% del CAPEX anualmente, siempre que se considere el uso de bandas de frecuencia no licenciadas. OP EX = CAP EX ∗ 5% ≈ 4500[U SD/Año] (5.31) Estos cálculos han sido hechos como orientación tomando como referencia una red desplegada en un escenario particular, por lo que cada caso deberá ser estudiado especı́ficamente. Para el caso del uso de bandas licenciadas, otras consideraciones mayormente polı́ticas y administrativas deberán de ser abordadas para el cálculo del OPEX y se salen fuera del ámbito de este TFM. 5.4.5 Otras consideraciones Para el caso de implementaciones con MIMO 2x2 de polarización cruzada el análisis anterior sigue teniendo validez. En el canal fı́sico la tasa fı́sica disponible aumentarı́a sin repercutir en otros factores como la sensibilidad, siempre que se use MIMO para multiplexación espacial. Para el cálculo del CAPEX solamente hay que considerar antenas especiales cuyo coste puede ser un 50% mayor que las normales. Chapter 6 Caracterización de enlaces VSAT Como se ha mencionado en el Capı́tulo 2, las tecnologı́as VSAT son muy dependientes del fabricante y de la configuración contratada. Dejando a un lado que muchos fabricantes usan estándares privados, los sistemas de los fabricantes que usan estándares abiertos tienen un funcionamiento muy distinto unos de otros ya que los estándares no obligan a usar una configuración determinado, sino que dejan una gran libertad para implementar el estándar como el fabricante crea más conveniente. Por lo tanto, no se ha contemplado un modelado teórico de los enlaces VSAT al ser tan dependientes del fabricante. De igual manera, no se han simulado con ns-3 por la misma razón. Ya que no existen modelos para ninguno de los estándares de VSAT, la opción más similar serı́a la de un enlace PPP con un retardo fijado de unos 600 ms. Sin embargo, se ha considerado que carecerı́a de sentido realizar estas simulaciones ya que se dispone de equipamiento real con el que realizar esas mismas medidas, las cuales son más representativas y ofrecen una mayor información que una simulación no fidedigna de un enlace VSAT. 6.1 Resultados experimentales Para realizar los experimentos se ha usado la red del laboratorio detallada en la Figura 3.5 usando los equipos detallados en el Capı́tulo 3.2. Al igual que se ha hecho con WiFi y WiMAX, se han realizado pruebas bidireccionales tanto en sentido uplink (Terminal-Modem-Satelite-GW) como de downlink (GW-Satelite-Modem-Terminal) y obtenido los parámetros de throughput, retardo, jitter y pérdida de paquetes. Para ambos equipos se ha inyectado tráfico desde dos equipos sincronizados (GW y Terminal) consistente en 161 CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT 162 flujos bidireccionales UDP con paquetes de tamaño 1400 bytes a nivel IP. El marcado DHCP ha sido de BE (best effort). 6.1.1 Resultados para Hughes Ku DVB-2/IPoS La configuración de tasa binaria disponible en el equipo Hughes se muestra claramente en la Figura 6.1, donde se ilustran los throughputs de uplink y downlink en función de la carga. Se puede apreciar que el enlace de subida satura en torno a 1 Mbps y que el de bajada lo hace en 4 Mbps. Para el equipo Hughes se considerado un inyección hasta el 125%, donde el 100% corresponde a 1 y 4 Mbps para uplink y downlink respectivamente. Figure 6.1: Evolución del throughput en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. La Figura 6.2 muestra los valores de retardo en función de la carga. 6.1. RESULTADOS EXPERIMENTALES Figure 6.2: Evolución del retardo en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. En situación de no saturación el tráfico de downlink sufre un retardo oneway prácticamente constante de unos 300 ms. Para el tráfico de uplink el tráfico sufre un retardo mayor y más inestable de unos 500ms. Ambos se incrementan notablemente a partir del punto de saturación, que corresponde prácticamente al 100%. Esta diferencia de tiempos es debida a que el tráfico de uplink tiene que solicitar ancho de banda al hub terrestre lo que se traduce a un incremento del retardo. Sin embargo, el retardo round trip (ida y vuelta) realizado con el herramienta ping muestra en la Tabla 6.1 que el retardo se mantiene en torno a los 650 ms. En la tabla se muestran los valores mı́nimos, medios, máximos y la desviación estándar tanto para el recorrido total como para el segmento espacio. El retardo del segmento espacio se ha calculado haciendo ping al primer equipo IP existente detrás del módem Hughes. Como se puede apreciar, no existe una gran diferencia entre ambos retardos, por lo que es posible suponer que el hub terrestre el sistema VSAT se encuentra en Europa y conectado a internet mediante un sistema autónomo de alta capacidad. 163 CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT 164 Rtt Absoluto Segmento espacio Min 611.68 595.52 Avg 653.2 651.78 Max 709.02 698.58 mDev 20.21 21.21 Tabla 6.1: Retardo round trip obtenido mediante la herramienta ping en un enlace VSAT Hughes DVB-2/IPoS 4+1 Respecto al jitter la Figura 6.3 muestra su evolución con la carga. Se aprecia que con la caga el jitter tiende a estabilizarse por debajo de los 5 ms en ambos sentidos. Figure 6.3: Evolución del jitter en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. Por último las pérdidas de paquetes mostradas en la Figura 6.4 responden a lo esperado; prácticamente nulas por debajo del punto de saturación y muy grandes a partir de éste. 6.1. RESULTADOS EXPERIMENTALES Figure 6.4: Evolución de las pérdidas en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT DVB-2/IPoS 4+1. 6.1.2 Resultados para Tooway Ka S-DOCSIS De igual manera que se ha hecho con el equipo Hughes, se han realizado las mismas pruebas con el Tooway. La Figura 6.5 muestra claramente la configuración 20+6 del enlace, saturando aproximadamente en una carga del 100%. Este valor corresponde a 20 Mbps en el downlink y 6 Mbps en el uplink. Figure 6.5: Evolución del throughput en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. 165 CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT 166 Respecto al retardo vemos que sigue un patrón similar al obtenido con el equipo Hughes. Un retardo aproximadamente constante para downlink de en torno a 320 ms y algo más grande y variable en torno a los 600ms. Sin embargo se observa en este caso que aunque el retardo de uplink es más estable, sufre un pequeño incremento antes del punto de saturación. Figure 6.6: Evolución del retardo en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. También se han calculado los retardos round trip y se muestran el Tabla 6.2. Rtt Absoluto Segmento Espacio Min 712.77 705.5 Avg 764.46 714.02 Max 1762.39 738.66 mDev 32.78 4.452 Tabla 6.2: Retardo round trip obtenido mediante la herramienta ping en un enlace VSAT Hughes DVB-2/IPoS 4+1 Vemos que en este caso si hay una diferencia apreciable entre ambos retardos, dando lugar a suponer que el hub terrestre de Tooway se encuentra fuera de Europa y conectado a ella mediante un enlace óptico de larga distancia. El jitter se muestra en la Figura 6.7 y sufre un comportamiento más estable que en DVB-2/IPoS, llegando a estabilizarse por debajo de los 4 ms 6.1. RESULTADOS EXPERIMENTALES en ambos sentidos. Figure 6.7: Evolución del jitter en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. Por último, en la Figura 6.8 se aprecian las pérdidas de paquetes de ambos flujos. En esta ocasión el flujo de uplink empieza a tener pérdidas en torno al 90%. Figure 6.8: Evolución de las pérdidas en UL y en DL con la carga en un enlace VSAT S-DOCSIS 20+6. 167 CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT 168 6.2 6.2.1 Discusión de resultados Rendimiento de los enlaces VSAT A la vista de los resultados de las pruebas realizadas con los enlaces VSAT basados en TDM/MF-TDMA, es posible ver que ambos enlaces responden de una manera similar. El hecho de que uno use DVB-2/IPoS y el otro S-DOCSIS no supone una gran diferencia y es el throughput DL+UL contratado lo que hace que sean distintos. Aún ası́, se aprecian ligeras diferencias. Por un lado, la ubicación del punto de saturación en el enlace DVB-2/IPoS es exactamente 100%, tanto para DL como para Ul, incluso dando hasta un 5% más de throughput del contratado. Sin embargo en S-DOCSIS, aunque el punto de saturación para DL está en el 100%, para UL está en torno al 90%. Y ası́ se comprueba que el retardo y la pérdida de paquetes se incrementan a partir de ese punto y no después. Por otro lado, en el sistema S-DOCSIS se aprecia un jitter bastante más estable que el DVB-2/IPoS, sufriendo el mismo comportamiento pero más suave. Sin embargo, estas pequeñas diferencias pueden estar causadas por la configuración de red terrestre del sistema con S-DOCSIS y no por el segmento satélite. Las distintas polı́ticas de tratamiento de tráfico sobrante pueden influir en cómo este tráfico se traduce en términos de retardo o pérdidas de paquetes. SCPC no ha sido caracterizado debido a la imposibilidad de probar un enlace con estas tecnologı́a. Sin embargo, debido a sus caracterı́sticas, es posible concluir que para tráficos bursty y de poco caudal siempre será más ventajoso TDM/MF-TDMA debido a su bajo precio. Sin embargo, cuando se quiere transportar tráfico agregado proveniente de numerosas fuentes puede ser más recomendable hacer uso de un enlace dedicado SCPC ya que proporciona una mayor estabilidad y el uso del enlace puede ser cercano al 100% si se dimensiona correctamente. 6.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 6.2.2 169 Influencias de las capas fı́sicas En el caso de los enlaces VSAT no son necesarias consideraciones especı́ficas del nivel fı́sico. Mientras que en WiFi y en WiMAX se han estimado los niveles de potencia recibida en función de la distancia, en VSAT es constante ya que los satélites siempre tienen la misma posición relativa respecto a la antena. Desde el laboratorio, ubicado en la posición 40.282839 N, -3.821480 W se obtienen las medidas mostradas en la Tabla 6.3 para los enlaces VSAT en condiciones climatológicas buenas, donde Eb /N0 es la SNR normalizada para el MODCOD 16APSK 5/6. Hughes DVB-2/IPoS Tooway S-DOCSIS Eb /N0 recibida 11.61 dB 10.11 dB Tabla 6.3: SNR percibida en los terminales remotos VSAT Estos valores cambiarán según las condiciones meteorológicas en esa posición. Como se ha descrito en el Capı́tulo 2.4.2, las atenuaciones en dB/Km a causa de la lluvia son de 30, 2 y 0.05 aproximadamente para las bandas Ka, Ku y C respectivamente. Por lo tanto, en el caso del enlace Tooway S-DOCSIS, al trabajar en la banda Ka, muy probablemente habrá una notable pérdida de prestaciones. Esto será debido al mecanismo de ACM, el cual reducirá el MODCOD para asegurar una SNR aceptable. Las distancia del terminal remoto al satélite variará dependiendo de la latitud y longitud del lugar donde se instale el terminal remoto, siendo menor en lugares cercanos al ecuador y cuyo apuntamiento de azimut sea pequeño. Estas distancias no tendrı́an que implicar cambios en la SNR recibida ya que generalmente se dimensiona la antena acorde a esta localización. Sin embargo, mayores distancias si pueden tener impacto en los retardos. Si nos ponemos en el peor caso, una terminal remoto VSAT ubicado en una zona polar/austral, puede sufrir un incremento en el retardo unidireccional de hasta 20 ms respecto a un terminal remoto VSAT ubicado en el ecuador y con un ángulo de azimut bajo. 6.2.3 Costes: CAPEX y OPEX Al igual que se hizo en el Capı́tulo 4.7.3 y Capı́tulo 5.4.5 se va a realizar una breve caracterización en términos de costes de la tecnologı́a VSAT analizando tanto los fijos como los variables (CAPEX y OPEX). Para realizar una aproximación de los costes de VSAT se van a considerar los dos equipos VSAT instalados en el laboratorio de la URJC. CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT 170 CAPEX En las tecnologı́as VSAT podemos definir el CAPEX como el conjunto de: - Equipos de comunicaciones. Los equipos de comunicaciones VSAT constan de 2 partes principalmente. El ODU (OutoDoor Unit) y el módem terminal remoto VSAT. El ODU consta del plato parabólico, un feed o bocina+guı́a de onda transmisor y el soporte. Mediante un cable de antena adaptado para trabajar en la banda deseada Ka, Ku o C, se conecta la antena con el módem VSAT. Los precios del equipo completo dependerán del fabricante, pero según Hughes y Tooway, el coste puede estar en torno a los $1000 USD ($1200 USD Tooway y $800 USD). Podemos asumir que el coste de transporte está incluido en este precio. - Sistemas de energı́a. Al igual que con WiFi y WiMAX, los sistemas de energı́a necesitan ser autónomos ya que generalmente no existen redes de energı́a disponibles. Suponiendo que generalmente los equipos ODU son pasivos, el único elemento que consume energı́a es el módem VSAT. Ambos equipos Hughes y Tooway generan EIRPs menores que 50 dBw y transmiten con potencias inferiores a 2W. Sin embargo el equipo completo consume hasta un máximo de 60W en potencia nominal [74]. Considerando este consumo el coste del sistema de energı́a completo (paneles, baterı́as y regulador) puede ser de entorno a los $18000 USD. Aunque esta cantidad puede variar ligeramente dependiendo de la situación geográfica y del clima tı́pico de la zona, pues según la radiación solar, mayor superficie de captación y mayor capacidad de almacenamiento serán necesarios para asegurar 60W las 24 horas de los 364 dı́as del año. - Infraestructuras de soporte. Una de las ventajas de VSAT es que no necesita infraestructuras de soporte externa. El equipamiento ODU incorpora su propio sistema de soporte autoportante, el cual consiste en un mástil de 1 o 2 metros y una base estabilizadora con mecanismos de orientación. Debido a que este material está incluido el el precio del sistema no se han de contabilizar estos gastos. El nodo puede colocarse directamente en el suelo o en el tejado siempre que tenga linea de cielo despejada hacia la dirección de apuntamiento. - Sistemas de protección eléctrica y fı́sica. Se pueden costes por nodo de $500 USD por protección eléctrica menores que en WiFi/WiMAX ya que el sistema suele estar más protegido al estar más cercano a tierra. Sin embargo por esa misma razón los costes de protección fı́sica, $5000 USD, son algo superiores ya que son más vulnerables. 6.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 171 - Despliegue y pruebas. Por último es necesario considerar el precio relativo a la mano de obra en la instalación y la puesta en marcha del enlace. Este coste puede estar en torno a $1000 USD, algo más barato que en WiFi/WiMAX debido a que la instalación es más fácil y más rápida. Con esas consideraciones se puede calcular el CAPEX de un enlace VSAT con la Eq. 6.1: CAP EX = C + 300 · S + O (6.1) Donde C es el coste de los equipos de comunicaciones, S es el consumo de potencia en W, y O (Materiales + Protección Eléctrica + Protección Fı́sica + Transporte +Instalación) es el coste agregado. Si descontamos el precio de la construcción de la torre ya que no es necesaria y el coste del transporte de sus materiales nos quedarı́a según la Eq. 6.1 el siguiente coste por CAPEX: CAP EX = 1000 + 300 · 60 + (0 + 500 + 5000 + 0 + 1000) = 25500 (6.2) Según este presupuesto es es posible ver que los costes asociados a los equipos VSAT y a su provisión de energı́a es prácticamente el 75%, siendo el mayor gasto los sistemas de energı́a. OPEX En lo que respecta al OPEX de VSAT, podemos considerar: - Precio de alquiler del enlace VSAT. Esta cantidad puede variar mucho según el throughput que se quiera alquilar. Según los equipos Tooway con capacidad 20+6 Mbps, esta cifra se puede estimar en torno a los $1000 USD/mes [75] contando gastos de lı́nea, activación y mantenimiento. Para el equipo Hughes con capacidad 4+1 Mbps este valor puede ser también de $1000 USD/mes [76], incluso aunque se ofrezca menor tasa. Esto puede ser simplemente debido a que distintos fabricantes ofrecen distintas relaciones servicio/precio según el coste asociado que tengan en cada enlace. - Gestión de red. Dependiendo del sistema de gestión de red (NMS) implantado estos costes pueden ser muy bajos o muy altos. En este caso se considera que un servidor externo de gestión correctamente configurado puede costar relativamente poco, siempre que se usen alternativas de código abierto, gratuitas y estandarizadas como SNMP. - Mantenimiento proactivo. Generalmente es conveniente revisar los equipos antes de que fallen para reducir el número de ellos y en mayor medida, su impacto en la red en el caso de fallo. 172 CHAPTER 6. CARACTERIZACIÓN DE ENLACES VSAT - Mantenimiento reactivo. Cuando el mantenimiento proactivo falla, es necesario realizar la reparación. El coste de reparación de estos fallos puede ser muy bajo o muy alto y pueden suceder constantemente o prácticamente nunca. - Material de reserva. Dependiendo del nivel de robustez y de rapidez de respuesta a fallos deseado este coste será mayor o menor. De forma aproximada se puede calcular el OPEX según Eq. 6.3, es decir una fracción del 60% del CAPEX anualmente, considerando un alquiler de un enlace de entre 20+6 Mbps y 4+1 Mbps. OP EX = CAP EX ∗ 60% ≈ 15000[U SD/Año] (6.3) Estos cálculos han sido hechos como orientación tomando como referencia unos enlaces VSAT particulares, por lo que otros casos deberá ser estudiado especı́ficamente, tanto para equipos Tooway y Hughes como para otros proveedores. Para el caso de SCPC este coste puede incrementarse notablemente más caro. Según , un enlace dúplex de 1Mbps puede llegar a costar en torno a $35000 USD [77]. Por este motivo se ha decidido considerar solamente enlaces VSAT basados en TDM/MF-TDMA. Chapter 7 COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS Una vez que se han analizado las distintas tecnologı́as por separado, en este capı́tulo se van comparar conjuntamente. Primero se comparará el rendimiento de cada una en términos de un sólo enlace. Sin embargo, como generalmente las redes de backhaul se componen de varios saltos, se realizará un estudio del efecto de cada tecnologı́a en redes multisalto, sobre las consideraciones a tomar respecto QoS y un pequeño ejemplo de dimensionamiento de una red backhaul multisalto rural con este tipo de tecnologı́as que da servicio a distintas femtoceldas. 7.1 Comparación de rendimientos Como se ha visto en los Capı́tulos 4,5 y 6 el throughput que se obtiene de cada de las tecnologı́as depende mucho del nivel de carga del enlace, sobre todo en las las tecnologı́as basadas en CSMA/CA como 802.11n. De esta manera se muestran en la Figura 7.1 los valores de throughput de saturación y de retardo acotado para las distintas tecnologı́as. Se ha considerado dar en UL+DL, los valores de throughput máximos y mı́nimos que se obtienen con cada tecnologı́a considerada en modo SISO. De esta manera, los valores de 802.11n son para MCS0 y MCS7 con GI=800ns, 20 MHZ y agregación de tramas de 8192 bytes y los valores de NV2 son para son para MCS0 y MCS7 con GI=800ns y 20 MHZ y trama de 2 ms. Para WiMAX se ha escogido el ancho de banda máximo, 10 MHz, una trama de 2.5 ms y CP=1/4. Por último para VSAT se muestran los valores obtenidos para el enlace DVB2/IPoS (4+1) y S-DOCSIS(20+6). Estos valores son para distancia cero. En el caso de VSAT se trata del valor obtenido en cualquier punto con cobertura del satélite. 174 7.1. COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS Figure 7.1: Throughput de saturación y de retardo acotado para las distintas tecnologı́as a distancia cero Vemos que cuando no se toma en cuenta la distancia, los valores máximos se alcanzan con 802.11n tanto en saturación como por debajo de ésta. Para analizar los efectos de la distancia se muestran las Figuras 7.2 y 7.3, las cuales muestran los valores de throughput de saturación y de retardo acotado respectivamente de WiFi y WiMAX con las mismas configuraciones fı́sicas y MAC de la Figura 7.1. Esta vez se muestran todas las modulaciones MIMO para representar el potencial que ofrecen en enlaces de larga distancia. La Figura 7.2 muestra que el throughput de saturación de todas las tecnologı́as decae con la distancia. Sin embargo, para para 802.11n esta caı́da es mucho mayor que en las demás tecnologı́as. Como hemos visto en los anteriores capı́tulos, esta caı́da puede ser mitigada en 802.11n aumentando la agregación de tramas(algo difı́cil debido a que la muchos fabricantes imponen un lı́mite de 8192 bytes) y en WiMAX y NV2 aumentando el tamaño de trama (siendo lo máximo permitido 20ms y 10 ms respectivamente en cada tecnologı́a). Sin embargo, estos valores de throughput no son realmente útiles ya que son conseguidos a costa de un elevado retardo en el enlace. Para mostrar el throughput que verdaderamente es útil en situación de retardo acotado se muestra la Figura 7.3. 175 176 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS Figure 7.2: Throughput de saturación en función de la distancia para las distintas tecnologı́as Figure 7.3: Throughput de retardo acotado en función de la distancia para las distintas tecnologı́as 7.1. COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS Al igual que en la Figura 7.2, la Figura 7.3 muestra esta caı́da de throughput con la distancia. En esta ocasión las pendientes de caı́da son mayores ya que los puntos de bajo retardo se encuentran más bajos con la distancia y, lógicamente, los valores de throughput también son más bajos. En las tres Figuras 7.1, 7.2 y 7.3 WiMAX muestra siempre menores valores de throughput que 802.11n y NV2. Aunque esto puede indicar que WiMAX es la tecnologı́a menos recomendable, hay que tener en cuenta que trabaja con 10 MHz de ancho de canal mientras que 802.11n y NV2 lo hacen con 20 MHz. En igualdad de condiciones WiMAX presumiblemente darı́a mayores valores de throuthput que 802.11n y NV2 ya que posee una eficiencia mayor en el canal PHY; sin embargo ningún perfil estándar de WiMAX soporta anchos de banda de 20 MHz, solamente implementaciones privadas no estandarizadas lo hacen. En las Figuras 7.2 y 7.3 no se han incluido la tecnologı́a VSAT ya que su rendimiento es igual siempre, independientemente de dónde se ubique el terminal. En el Capı́tulo 6 se ha mencionado que algunas localizaciones polares/australes pueden experimentar aumentos en el retardo total, pero si suponemos que las localizaciones se sitúan en zonas cercanas a los trópicos, no se deberı́an apreciar efectos en el rendimiento independientemente de la ubicación. Para realizar una comparación análoga con las Figuras 7.2 y 7.3 se muestra en la Figura 7.4 los valores de throughput de saturación y de retardo acotado para VSAT en ese mismo rango de distancias. Figure 7.4: Throughput de saturación y de retardo acotado obtenido con VSAT 177 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 178 7.2 Comparación en costes Respecto a los costes CAPEX+OPEX analizados en cada tecnologı́a, la Figura 7.5 los agrega de forma comparativa y los muestra según su evolución en un lapso de 4 años. Como se puede ver en esta figura, cuando se trata de establecer un sólo enlace, siempre será más económico usar tecnologı́as de backhaul terrestre si se considera un uso a medio y largo plazo. A corto plazo, en concreto para duraciones de menos de 5 meses es más rentable usar VSAT como tecnologı́a de backhaul. Figure 7.5: Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años Sin embargo este análisis no tiene en cuenta caudales ni distancias, sólo se asume un salto WiFi/WiMAX de dos torres y un enlace VSAT como los considerados en el Capı́tulo 6. Para el caso WiFi/WiMAX este salto puede ser de gran distancia (teóricamente puede llegar a más de 100 Km bajo condiciones óptimas) y de bajo throughput, o puede ser de corta distancia y de alta capacidad (por ejemplo en 10 Km se pueden obtener más de 70 Mbps). Debido esta dependencia que tiene el coste respecto al número de saltos y, por lo tanto, de la distancia total cubierta y del throughput ofrecido a la red de acceso, a continuación se van a comparar las distintas tecnologı́as para redes multisalto. 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO 7.3 7.3.1 Consideraciones adicionales en redes de transporte multisalto Comparación de las tecnologı́as en redes multisalto Si se quiere ofrecer un determinado nivel de throughput a una red de acceso separada de un gateway por una gran distancia, necesariamente habrá que considerar una red de backhaul multisalto. Cuando se considera un backhaul multisalto, se asume que solamente será multisalto la parte terrestre, ya que para el caso de VSAT carece de sentido. Se pueden evaluar los costes de dar servicio a una sola red de acceso de las distintas tecnologı́as en función del tiempo y la distancia según las Figuras 7.6 y 7.7, asumiendo varios saltos para WiFi/WiMAX y 1 enlace VSAT para el caso en el que no se considere red de backhaul terrestre. Las Figuras 7.6 y 7.7 muestran el coste (CAPEX+OPEX) en función del tiempo que tiene cada tecnologı́as a la hora de ofrecer un mı́nimo de 26 Mbps UL+DL en retardo acotado a una femtocelda que puede estar ubicada en un rango de entre 10 Km y 200 Km de un GW con conexión a una red óptica de alta capacidad. Figure 7.6: Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años en función de la distancia total de un backhaul multisalto lineal ofreciendo 26 Mbps 179 180 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS Por un lado la Figura 7.6 permite apreciar que si se fija el eje de distancias a 10 Km, se obtiene un resultado muy parecido a la Figura 7.5 que mostraba los costes para 1 sólo salto. También se ven claramente los costes asociados al CAPEX cuando se fija el eje de tiempos al mes 0, siendo los de VSAT muy bajos comparados con el resto de tecnologı́as. En el mes 0 existen distintos CAPEX para 802.11n, NV2 y WiMAX en función de la distancia. Esto es debido a que, para asegurar esos 26 Mbps en la red de acceso, según cada tecnologı́a es necesario realizar más o menos saltos y, por tanto, construir e instalar un mayor o menor número de nodos. Ya que NV2 es la que ofrece mayor throughput con la distancia de las tecnologı́as comparadas, se pueden desplegar enlaces que aseguren esos 26 Mbps de mayor longitud y, por tanto, reducir el número de saltos. Si fijamos el eje de distancias a 200 Km vemos el CAPEX es mucho mayor en las tecnologı́as terrestres que en VSAT, debido a que para cubrir esa distancia asegurando ese throughput se habrı́an de usar 10 saltos para 802.11n y WiMAX y 7 saltos para NV2 (donde el número saltos se aprecia contando el número de escalones del los planos de 802.11n, WiMAX y NV2. Adicionalmente, para el caso de 802.11n y WiMAX se observa un número igual de saltos para cubrir cualquier distancia, pero muestran CAPEX ligeramente distintos. Esto es debido a que WiMAX tiene un mayor consumo y se consideran mayores costes fijos por los sistemas de energı́a. Figure 7.7: Otra visión de la comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as en un lapso de 4 años en función de la distancia total de un backhaul multisalto lineal ofreciendo 26 Mbps 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO La Figura 7.7 muestra la misma gráfica pero girada 90o para apreciar otros detalles. Desde esta perspectiva se puede ver que para distancias grandes, VSAT tiene un coste por CAPEX mucho menor que las tecnologı́as terrestres, siendo esta diferencia mayor a mayor distancia. Consecuentemente, al tener mayor CAPEX para dar servicio a redes de acceso a distancias grandes, el coste total de VSAT tardará más tiempo en igualar al de 802.11n, WiMAX y NV2. Sin embargo, mientras que para 200 Km NV2 empieza a ser más económico que VSAT en el mes 24 aproximadamente, sólo compensa usar 802.11n y WiMAX en lugar de VSAT para tiempos de operación superiores a 35 y 20 meses aproximadamente. Este análisis se basa en la idea dar un determinado servicio a una sola red de acceso a través de una topologı́a lineal. En el momento en que se consideren un número mayor de redes de acceso, el precio de VSAT se dispararı́a linealmente en función del número de terminales a instalar. Es por eso que para un mayor número de redes de acceso siempre se va a considerar las topologı́as mostradas en la Figura 1.3 del Capı́tulo 1, ya que es inviable usar un terminal VSAT en cada red acceso. Adicionalmente, siempre será interesante usar las topologı́as de la Figura 1.3 debido a que se podrán a aprovechar los nodos del backhaul para dar servicio a redes de acceso en los nodos intermedios y de esta manera establecer un backhaul compartido. Para el Escenario 1 de la Figura 1.3 se asume que existe un GW a menos de 200 Km de la red de acceso más lejana. Figure 7.8: Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as terrestres sin usar VSAT ofreciendo 26 Mbps. 181 182 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS Para casos en los que el GW esté más lejos o simplemente sea inviable debido a la imposibilidad de desplegar la red hasta el GW, se considera el Escenario 2 de la Figura 1.3 donde el acceso al GW se realiza mediante VSAT. De esta manera, considerando una topologı́a lineal o de árbol y con las mismas suposiciones de ofrecer 26 Mbps a la femtocelda más lejana, las Figuras 7.8 y 7.9 muestran los costes CAPEX+OPEX de cada tecnologı́a en función del tiempo y de la distancia entre la femtocelda y el GW. En la Figura 7.8 se muestra una relación igual entre 802.11n, WiMAX y NV2 a la mostrada en la Figura 7.6. Igual que antes, se considera una sola femtocelda cuya distancia al GW se muestra en el eje de distancias a la que se le ofrece un servicio de backhauling de 26 Mbps. Sin embargo en la Figura 7.9 esta relación de costes entre 802.11n, WiMAX y NV2 es distinta ya que al añadir el coste VSAT a todas las tecnologı́as por necesidad de conectar el último nodo terrestre con el GW mediante VSAT, los precios de las tres tecnologı́as terrestres se elevan significativamente con el tiempo, y es el OPEX relativo a VSAT el cobra una mayor importancia. Figure 7.9: Comparación de costes de CAPEX+OPEX para las distintas tecnologı́as terrestres cuando hace uso de VSAT para ofrecer 26 Mbps. Como se ha comentado en el Capı́tulo 6.2, dependiendo del nivel de tráfico agregado que se quiera cursar por el enlace VSAT, será más conveniente usar SCPC o TDM/MF-TDMA. Para tráficos con comportamiento irregular cuya agregación no sea muy elevada, será más económico en términos de OPEX el uso de TDM/MF-TDMA. Sin embargo, para tráficos con alta agregación 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO cuyos valores de throughput pueden ser estimados es más conveniente SCPC por proporcionar un mejor servicio. Por último, cabe destacar que si en lugar de topologı́as lineales, se considerasen topologı́as de árbol, estos análisis seguirı́an siendo válidos siempre que se traduzca el eje de distancias a un eje de número de enlaces de la red. 7.3.2 Soporte de QoS en redes multisalto Para lograr transportar de forma eficaz el tráfico de una red de acceso a una femtocelda hacia una red central o core es necesario implementar técnicas de calidad de servicio. El hecho de que existan distintos fuentes de tráfico en la red de backhaul hace imprescindible el uso de mecanismos de QoS de modo que las distintas clases de tráfico provenientes de distintas femtoceldas sean tratadas adecuadamente en todos los saltos inalámbricos independientemente de cual sea su origen. Para el caso de redes de punto multi-punto, la mayor dificultad reside en mapear los distintos mecanismos de QoS de los niveles superiores a los niveles fı́sicos y MAC. De esta manera, generalmente se implementan sistemas de marcado, conformado y encolado a nivel IP; los cuales tienen su correspondiente mecanismo de nivel 2, tanto para el caso de 802.11, WiMAX, NV2 o VSAT. Estos mecanismos de QoS tan especı́ficos del canal fı́sico sólo son útiles cuando existe distribución de los recursos fı́sicos entre varios nodos. Sin embargo, usando estas tecnologı́as para desplegar redes de transporte multi-salto dichos mecanismos, aunque pueden usarse para diferenciar el tráfico de subida del de bajada, tiene una menor eficacia ya que se asumen múltiples saltos punto a punto con funcionalidades IP en cada uno de los saltos. Algunas tecnologı́as como WiMAX y NV2 pueden ser configuradas en modo bridge para eliminar dicha capa IP; sin embargo, las ventajas que ofrecen los mecanismos QoS de IP hacen que sea más recomendable usar un protocolo de nivel de red como IP. Aplicando QoS a nivel IP, los paquetes llegarán ordenados según estos mecanismos de marcado, conformado y encolado a nivel IP y, por lo tanto, un nuevo sistema de encolado y prioridades en el nivel de acceso al medio se torna redundante. En los Capı́tulos 4.5 y 5.4.2 se trató esta problemática al estudiar los sistemas de QoS de 802.11 y WiMAX, determinando que la mejor manera de asegurar los requisitos de QoS en redes de backhaul no es usando estas técnicas especı́ficas de cada tecnologı́a (802.11e y clases de servicio para WiMAX y NV2). sino asegurarse de que cada enlace funcione por debajo del punto de saturación manteniendo unos valores óptimos de retardo, jitter y pérdidas de paquete. De esta manera, manteniendo un nivel adecuado de carga en cada uno de los enlaces de la red multisalto, se obtendrá 183 184 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS una QoS adecuada desde los nodos frontera o edges hasta el nodo GW. Esta suposición, que a primera vista puede ser parecer trivial, cobra gran relevancia y complejidad cuando existe un número elevado de fuentes de tráfico en la red de transporte. Para lograr un control de tráfico coordinado en los puntos del backhaul donde las redes de acceso inyectan tráfico y lograr que ningún enlace de la red de transporte se sature, existen principalmente dos enfoques: - Servicios Diferenciados en IP. El nivel IP dispone de mecanismos DiffServ nativos basados en el marcado, filtrado y encolado de paquetes usando para ello el campo DSCP de la cabecera IP. Este sistema permite controlar el tráfico que un nodo IP deja pasar en función de su prioridad con unos determinados parámetros de caudal mı́nimo, caudal máximo y retardo de encolamiento máximo. Generalmente este trato diferenciado se hace a través de sistemas de colas de distinta prioridad y mecanismos de token bucket que se agrupan en sistemas HTB (Hierchical Token Bucket) o sistemas PRIO. Sin embargo existen otros mecanismos más complejos como HFSC (Hierarchical Fair Service Curve) basados en curvas de retardo acumulado para cada clase de tráfico que permiten un mayor control del retardo de encolamiento. - MPLS - Multi Protocol Label Swichting. Se trata de un mecanismo de transporte de datos que trabaja entre el nivel de acceso al medio y el nivel de red que permite emular el antiguo sistema de servicios integrados IntServ (como RSVP) donde se reservaban recursos en la red para cada comunicación. Aunque los nodos que lo implementan tengan funcionalidades IP, MPLS permite encaminar paquetes sin la necesidad de que intervenga el protocolo IP. El encaminamiento se hace mediante un sistema de marcado e intercambio simple de etiquetas haciendo que el tráfico siga un camino determinado no en función de los tradicionales mecanismos de encaminamiento si no según criterios más complejos, como por ejemplo de QoS. Esto hace que para los nodos IP externos a la red MPLS este camino sea un túnel virtual cuyos recursos son asegurados por MPLS. MPLS puede usar distintos métodos de asegurar o reservar los recursos de la red mediante protocolos como Traffic Engineering o CR-LDP (Constraint-based Routing Label Distribution Protocol). Ambos mecanismos permiten controlar la carga de tráfico que se introduce en el backhaul y han de implementarse en los nodos edge de entrada de la red. Sin embargo, cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Por un lado, el uso de MPLS permite un control estricto de el tráfico que es cursado en cada nodo edge mediante la reserva de recursos para todo el 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO trayecto que sigue este tráfico. Esta reserva hace que, si no existen suficientes recursos, no se acepte el establecimiento de un nuevo túnel o se inhabiliten túneles que estaban previamente establecidos. De esta manera, se asegura que el tráfico sólo es cursado bajo óptimas condiciones o de lo contrario no es cursado. Sin embargo, esta forma de trabajar hace que cuando se reservan recursos en todos los enlaces por los que un determinado túnel pasa, se reduzca la eficiencia de los enlaces en el momento que el tráfico que se cursa no usa todos los recursos que le han sido asignados. Esta situación se da generalmente cuando se cursa tráfico bursty o de ráfagas el cual no ha sido agregado o que proviene de una cantidad pequeña de usuarios. A diferencia que otros tipos de tráfico con perfil constante, como VoIP sin supresión de silencios, el tráfico bursty sufre de una gran irregularidad en su caudal provocando picos de throughput y el desuso del canal en ciertos instantes de tiempo. Por otro lado, el mecanismo de DiffServ de IP sı́ permite agregar tráfico mediante multiplexación estadı́stica. Esto hace que el uso del canal sea mucho más eficiente ya que el tráfico no usado por un tipo de tráfico, pueda ser usado por otro. Esta caracterı́stica lo hace especialmente útil en redes de transporte donde se quiere transmitir tráfico bursty. Sin embargo, IP sólo controla la QoS nodo a nodo, haciendo que cada uno deba ser configurado independientemente, ya que no existe el concepto de túnel ni de reserva de recursos. De esta manera, cada nodo individualmente filtra y trata el tráfico según su DSCP independientemente del origen. Esto tiene el inconveniente de que si no existe una coordinación en todos los nodos edge de la red de transporte, el tráfico de una misma clase de diferentes orı́genes puede tener resultados no balanceados, pudiendo favorecer a la red de acceso o femtocelda que inyecte más tráfico. Cualquiera de estos métodos puede ser implementado para asegurar el correcto funcionamiento de la red de backhaul. La elección de cada uno de ellos dependerá del diseño y las caracterı́sticas de la red. Sin embargo, a grandes rasgos, se puede considerar que MPLS es una solución más conveniente para redes de transporte donde la mayor parte del tráfico tienda a tener un perfil estable, como por ejemplo VoIP sin supresión de silencios, y donde sea posible infrautilizar los recursos de la red para ganar un control total sobre los recursos. Por contra, los servicios diferenciados de IP pueden ser más convenientes en aquellas redes cuya mayorı́a de tráfico tráfico sea inestable, como por ejemplo navegación web, y donde los recursos sean escasos y se precise la máxima eficiencia posible [79], [80]. 185 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 186 7.3.3 Evaluación de red multisalto para backhauling de Femtoceldas en un escenario real A continuación se va evaluar la viabilidad de usar estas tecnologı́as en redes de backhaul para femtoceldas rurales. Para ello, se va primero a caracterizar el tráfico que una femtocelda puede generar en una zona rural y posteriormente se van a usar como ejemplos dos redes reales: la Red de Telemedicina del Napo y la Red de Telemedicina de Balsapuerto, ambas descritas en el Capı́tulo 3.2.3. En este caso el estudio se ha focalizado en redes de acceso con femtoceldas 3G, sin embargo el mismo estudio puede ser extendido análogamente a redes de acceso con femtoceldas 4G considerando los parámetros de voz y datos adecuados. Caracterización de tráfico de una femtocelda Las femtoceldas generalmente trabajan fundamentalmente con tres tipos de tráfico: tráfico de voz, tráfico de datos y tráfico de señalización. Para caracterizar estos tráficos se va a considerar el modelo concreto de femtocelda nano3G E16 AccesPoint [81] del fabricante IPAccess. Este tipo de femtoceldas permite dar servicio de voz y datos hasta 16 usuarios simultáneos. Todo su tráfico va securizado a través de un túneles IPSec independientes y se conecta al exterior a través de un Small Cell Gateway usando la interfaz IuH del estándar 3GPP Release 9. Tráfico de voz El tráfico de voz se genera usando el códec ARM 12.2 (Adaptive Multi Rate). Este códec, propuesto por el 3GPP para codificar voz, genera una tasa binaria de 12.2 kbps muestreando 160 veces cada 20 ms. Este flujo es encapsulado usando el protocolo RTP (Real Time Protocol) y el protocolo IuUP (Iu User Plane) a nivel de aplicación. Estos paquetes son posteriormente enviados con el protocolo de transporte UDP usando IP. Todo el tráfico de voz se envı́a hacia el GW mediante túneles IPSec. Para reducir la sobrecarga por protocolos existe la posibilidad de realizar operaciones de compresión y multiplexación. La compresión y la multiplexación se realiza a nivel de aplicación en el protocolo RTP. Sin embargo debido a motivos de escalabilidad, sólo es posible realizar multiplexación en sentido uplink. Las Figuras 7.10 y 7.11 muestran como se realiza el proceso de encapsulado para downlink y uplink respectivamente. 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO Figure 7.10: Esquema de encapsulado del tráfico de voz de downlink Figure 7.11: Esquema de encapsulado del tráfico de voz de uplink Teniendo en cuenta esta estructura de paquete, se han calculado detalladamente en la Tabla 7.1 los tamaños de paquete y las contribuciones de cada cabecera para un sólo usuario cuando se realiza compresión de cabeceras. Esta compresión permite reducir la cabecera normal de RTP de 12 bytes a una de 3 bytes. 187 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 188 Protocolo AMR luUP RTP RTP comprimido RTP Mux UDP IP IPSec IP Total Length (bytes) Uplink Downlink 31 31 4 4 0 0 3 3 3 0 8 8 20 20 32 32 20 20 121 118 Tabla 7.1: Tamaño de un paquete de voz para un usuario en UL y DL cuando se realiza compresión de cabeceras RTP Para estos tamaños se han calculado el throughput a nivel IP generado por la femtocelda para un número Nu de usuarios simultáneos para DL y UL haciendo uso de las ecuaciones Eq. 7.1 y 7.2: T hDL = Nu · LP DL · 8 Nu · (31 + 4 + 3 + 3 + 8 + 20 + 32 + 20) · 8 = (7.1) Tm 0.02 T hU L = Nu · L P U L · 8 (Nu · (31 + 4 + 3 + 3) + (8 + 20 + 32 + 20)) · 8 = Tm 0.02 (7.2) donde se considera un número de usuarios simultáneos Nu , una tasa de muestreo Tm de 20 ms y el resultado está en bps. Como se puede ver, se consideran 2 cabeceras IP entre la cabecera IPSec y una cabecera RTP comprimida de 3 bytes. Según estas ecuaciones el throughput del tráfico de voz con diferente número de usuarios simultáneos queda reflejado en la Tabla 7.2. Nu Th. DL Th. UL 1 47.2 48.4 2 94.4 64.8 3 141.6 81.2 4 188.8 97.6 5 236 114 6 283.2 130.4 7 330.4 146.8 8 377.6 163.2 16 755.2 294.4 Tabla 7.2: Tráfico de voz en Kbps generado por una femtocelda para diferente número de usuarios simultáneos Como se puede apreciar, tanto el tráfico de voz DL como el de UL se incrementan linealmente con el número de usuarios. Sin embargo, pese a 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO ser un tráfico simétrico ya que la voz se codifica de igual manera en ambos sentidos, se obtienen tasas menos en Ul debido a que la multplexación a nivel de aplicación reduce significativamente la sobrecarga por protocolos. Este tráfico de voz puede ser considerado como tráfico constante durante la llamada de voz. Pese ser generado mediante el códec AMR 12.2, el cual dispone de mecanismos para transmisión discontinua y supresión de silencios, y generación de ruido de confort (Confort Noise) en el receptor para mejorar la calidad de experiencia del usuario, es aconsejable considerar el escenario de peor caso en el cual ambos transmisor y receptor envı́en tráfico simultáneamente. El tamaño de paquete ha de considerarse constante ya que las tramas de muestreo del códec tienen siempre la misma duración. De esta manera si se quisiera generar tráfico equivalente bastarı́a con enviar tráfico de tamaño constante a un intervalo constante siguiendo las ecuaciones Eq. 7.1 y 7.2 para DL y UL respectivamente. Para cada femtocelda será necesario modelar el número de canales de voz ocupados por los usuarios. Esto se puede realizar mediante el modelo Erlang-B donde para un determinado número de habitantes, un ı́ndice de penetración y una probabilidad de bloqueo se obtienen el tráfico por usuario en Erlangs. Este modelo asume que los tiempos de servicio son exponencialmente distribuidos, con tasas de servicio de μ en llamadas/s y tiempos de servicio 1/μ s y que el proceso de llegadas es un proceso de Poisson con tasa de llegadas λ llamadas/s. De esta manera es posible obtener el tráfico ofrecido en Erlangs ρ mediante la expresión de la Eq. 7.3: ρ= λ μ (7.3) Con los datos de población, ı́ndice de penetración y probabilidad de bloqueo obtenidos de [78] para una determinada zona rural y los throughputs por canal calculados en la Tabla 7.2 es posible calcular y modelar el tráfico que cada femtocelda introduce en el backhaul. Tráfico de datos Por el contrario, el tráfico de datos generado por la femtocelda es impredecible y aleatorio. No existen mecanismos periódicos que permitan modelar el tráfico, aunque si existen la fluctuación dı́a-noche existente en la mayorı́a de las redes. Como no existen mecanismos de compresión y multiplexado como sı́ sucedı́a en el tráfico de voz, el tráfico de downlink y uplink es encapsulado de igual forma y se refleja en la Figura 7.12: 189 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 190 Figure 7.12: Esquema de encapsulado del tráfico de datos de uplink y downlink El tráfico de datos, cuando es agregado se considera tráfico de ráfagas o bursty en distintas escalas de tiempo y puede variar tanto el tamaño de paquete como el intervalo de envı́o. Para simplificar, este estudio se centrará en intervalo entre paquetes estadı́stico y un tamaño de paquete constante, pero las suposiciones que se hagan para el intervalo entre paquetes pueden ser aplicadas de la misma forma para modelar la variación del tamaño de paquete. El tráfico de datos generalmente se modela mediante el proceso de Poisson MMPP (Markov Modulated Poisson Process)[82] o usando el modelo 2 de FTP [78]. Estos enfoques tı́picamente tienen una dependencia a corto plazo, consideran sólo tráfico bursty a escalas de tiempo pequeñas y se centran principalmente en el estudio del tráfico en las redes de acceso o LAN. Sin embargo, los modelos para tráfico agregado contemplan una dependencia a largo plazo del tiempo. Actualmente para modelar tráfico de datos agregado en redes WAN se usan modelos que generan tráfico bursty independientemente de la escala de tiempos que se considere. Este efecto se describe mediante la propiedad de autosimilaridad (self-similarity) o fractalidad y puede ser modelado con distintos procesos estocásticos. Según Mandelbrot[83] el tráfico autosimilar puede ser descrito como una superposición de un elevado número de fuentes ON/OFF independientes cada una con procesos long-tail de varianza infinito. De esta manera, es posible obtener un fracción de ruido gaussiano a cualquier escala de tiempos si se normaliza adecuadamente. Esto significa que dado un patrón ideal de 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO tráfico autosimilar, cualquier sección de él tendrá las mismas propiedades estadı́sticas que cualquier otra sección que se escoja, independientemente de su escala. El nivel de autosimilaridad de un patrón de tráfico se refleja a través del parámetro H hurst. La definición de H viene dada por la Eq. 7.4: D(X m ) = m2(H−1) · D(X) (7.4) donde D(X m ) es la varianza agregada del intervalo de envı́o de paquetes del patrón dada una determinada distribución D(x). Este parámetro da una medida de la dimensión fractal del patrón o de su rugosidad. De esta manera da información sobre si el patrón es totalmente aleatorio o tiene un cierto grado de autocorrelación. Estos procesos que generan patrones con altos grados de autocorrelación se denominan procesos de larga memoria y tienen un parámetro Hurst de 0.5 < H < 1. A medida que H → 1 , el patrón tendrá un grado de autosimilaridad mayor. Según la recomendación Q.3925 de la ITU-T [84] el tráfico de datos tiene distintos valores de H según el tipo de tráfico. La Tabla 7.3 muestra estos valores de H para distintos tipos de tráfico de datos según la ITU-T: Tráfico WWW email P2P FTP Video Unicast Video Multicast Parámetro Hurst 0.7-0.9 0.75 0.6 0.85-0.95 0.55-0.6 0.75-0.8 Tabla 7.3: Caracterización del tráfico de datos según la ITU-T por el parámetro hurst La ITU-T no recomienda procesos concretos para generar este tráfico autosimilar, ya que puede ser generado con cualquier distribución que sea heavy-tailed (Pareto, Bernuilli, Weibull, Cauchy, etc.). Para que una distribución sea heavy-tailed , se ha de cumplir la Eq 7.5: P [X > x] x−α x → ∞ (7.5) donde 0 < α < 2 es el factor de forma de la distribución. Valores bajos de α implican que gran parte de la probabilidad estará ubicada en los extremos de la distribución. 191 192 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS Teniendo definida la distribución de probabilidad y el parámetro H de autosimilaridad se puede relacionar H y α mediante la relación de la Eq. 7.6 H= 3−α 2 (7.6) Esta relación permite obtener los parámetros de escala, media y forma para cualquier distribución de probabilidad. De esta manera, teniendo las recomendaciones de la ITU-T mostradas en la Tabla 7.3 para los distintos tipos de tráfico de datos, se puede modelar el tráfico para cualquier distribución que soporte la condición de autosimilaridad. Algunos autores como [85] consideran la distribución Pareto una de las más simples y a la vez una de las que más se asemeja al tráfico de datos en redes agregadas. Su función de densidad de probabilidad y su función de distribución de probabilidad son descritas en las ecuaciones Eq. 7.7 y 7.8. p(x) = αk α x−α−1 (7.7) F (x) = F [X ≤ x] = 1 − (k/x)α (7.8) donde k > 0 es el parámetro de escala y x ≤ k. Para calcular las cifras exactas, es necesario realizar un cálculo de usuarios, porcentaje de penetración y el público objetivo con terminales capaces de usar tráfico de datos, información que puede ser obtenida en [78]. A partir de estos datos se obtener para la hora cargada una tasa media de uplink y downlink por usuario. Según el Small Cell Forum [86], los valores correspondientes son Cdl = 15Kbps para downlink and Cdl = 5Kbps. Adicionalmente es necesario tener en cuenta que estos valores son para tráfico medio, pero que realmente cada usuario usará tanto para uplink como para downlink canales de datos de 128 Kbps según el estándar 3GPP UMTS. Por lo tanto, agregando la cantidad de usuarios simultáneos en la hora cargada es posible obtener el tráfico de datos autosimilar en términos de su media y su varianza que inyecta cada femtocelda a la red de transporte. A modo de ejemplo se muestra en la Figura 7.13 una muestra de tráfico autosimilar siguiendo la distribución Pareto, el cual ha sido capturado con la herramienta de análisis de red Wireshark. 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO Figure 7.13: Ejemplo de tráfico autosimilar generado con la distribución Pareto para un valor esperado de 5 Mbps Este tráfico inyectado con D-ITG[63] y capturado con Wireshark [87] corresponde al tráfico agregado de datos que generarı́a una femtocelda cuyos valor esperado de tráfico medio WWW en la hora cargada para todos sus usuarios fuese de 5 Mbps. Si aplicamos la ecuación Eq. 7.9 de la varianza para una variable aleatoria que sigue la distribución de Pareto se puede modelar el tráfico para un determinado α y k. E(X) = α·k α−1 (7.9) donde α es la forma y k la escala (intervalo de paquetes en ms). Aplicando está ecuación y la Eq. 7.6 obtenemos que para lograr esos 5 Mbps con un nivel de autosimilaridad H = 0.8 se puede generar un patrón con un inyector usando los parámetros α = 1.4 y k = 0.65. En esta ocasión se ha considerado un tamaño constante de paquete 1432 Bytes, sin embargo puede modelarse de igual forma que el intervalo entre paquetes para obtener un comportamiento autosimilar. Tráfico de señalización El tráfico de señalización es muy dependiente del tipo de femtocelda que se considere, ya que cada fabricante implementa de distinta forma la interfaz IuH. Para el caso de la femtocelda nano3G E16 AccesPoint el fabricante IPAccess detalla que se envı́an 42 MBytes mensualmente de tráfico de señalización, donde se incluye la señalización IuH y mensajes KeepAlive (20MBytes), mensajes NTP de sincronización de tiempos (1MBytes) y transferencia de logs de tarificación (21MBytes). Según estos datos, el tráfico medio debido a la señalización es de 130 bps. Para ponernos en el peor caso, es aconsejable considerar un tráfico de señalización más conservador por lo que se asumirá como el 1% del tráfico total y se modelará con la misma distribución autosimilar usada para el tráfico de datos, ya que aunque existe cierta regularidad en el envı́o de mensajes NTP y logs de tarificación, el 193 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 194 comportamiento de los mensajes de señalización de la interfaz IuH puede considerarse aleatorio. Red de Telemedicina de Balsapuerto Una vez modelado el tráfico que una femtocelda genera y cursa a través del backhaul, se va calcular la demanda de recursos que existirı́a en el caso de que se instalasen femtoceldas en todos los nodos de la Red de Telemedicina de Balsapuerto a partir de los datos aportados por [78]. La Tabla 7.4 muestra el throughput total de voz, datos y señalización de cada población. Para realizar este cálculo se ha asumido un 20% adicional de población en itinerancia y un porcentaje del 53% de subscriptores asumiendo que sólo existe un operador ofreciendo servicios en la zona. Balsapuerto San Gabriel San Juan Pob. 4282 790 98 Pob.+It. 5139 948 118 Subs 2724 503 63 Total (Kbps) 4143.6 831.0 132.3 Tabla 7.4: Datos de población y throughput agregado para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto Los datos de tráfico de cada localización (en cada localización puede haber más de una femtocelda) se han obtenido a partir de los tráficos de voz y datos mostrados en las Tablas 7.5 y 7.6 respectivamente y los de señalización, los cuales suponen un 1% del total del tráfico. Balsapuerto San Gabriel San Juan Voz Erlangs 28 6 1 Voz DL 1422.4 304.8 50.8 Voz UL 624 152 40.8 Voz UL+DL 1362.6 302.8 52 Tabla 7.5: Datos de tráfico de voz para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto A partir del número de usuarios y dada una probabilidad de bloqueo del 2% se han obtenido los canales máximos usados en la hora cargada mediante el modelo Erlang-B y usando la Tabla 7.3 se han obtenido los throughputs de downlink y uplink correspondientes. Para el caso de la población de Balsapuerto se observa que son necesarias dos femtoceldas, ya que el modelo nano3G E16 AccesPoint sólo dispone de 16 canales y se requieren 28. 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO Balsapuerto San Gabriel San Juan U. Datos 137 26 4 Datos DL 2055 390 60 Datos UL 685 130 20 Datos UL+DL 2740 520 80 Tabla 7.6: Datos de tráfico de datos para cada localización en la Red de Telemedicina de Balsapuerto Para el cálculo de de datos se ha asumido que un 5% de los usuarios subscriptores de los servicios de voz dispone de servicios de datos. Para la hora cargada se calcula un tráfico medio por usuario de 15 Kbps para downlink y 5 Kbps para uplink. Como se ha detallado en la sección anterior, no todos los usuarios están enviando tráfico a esta tasa, sino que cada usuario introducirá tráfico autosimilar cuyos picos pueden alcanzar hasta los 3 Mbps por usuario, pero no de forma sostenida. Sin embargo la agregación de este tráfico si corresponderá a la media por usuario calculada de 15+5 kbps. Por lo tanto, asumiendo este tráfico, es posible estudiar la viabilidad del uso de las distintas tecnologı́as estudiadas para conformar la red de transporte. La Tabla 7.9 muestra para cada enlace, el throughput agregado que debe cursar y el throughput que permite cada tecnologı́a manteniendo niveles de jitter y pérdida de paquetes bajos y un retardo a cotado a 5 ms por salto. No se considera la tecnologı́a VSAT, ya que se asume que, debido al elevado número de femtoceldas, sólo será viable su uso como enlace de la red troncal hacia la pasarela. En el caso de esta red, existe un gateway hacia una red core de fibra óptica en la localidad de Balsapuerto por lo que no es necesario el uso de VSAT. Sin embargo, para el caso que fuese necesario, simplemente hay que considerar un salto más y considerar los retardos asociados al enlace satelital y sus costes por OPEX+CAPEX. La Tabla 7.7 sólo muestra los costes asociados al CAPEX ya que se asumen que son prácticamente los mismos para un sólo enlace en 802.11n, NV2 y WiMAX. Como se puede apreciar en la Tabla 7.7 dadas las distancias y el dimensionamiento del tráfico es posible ofrecer servicios de backhaul en esta red usando los tres tipos de tecnologı́as, ya sea WiMAX, 802.11n y NV2. Dado que las distancias son fijas y el diseño de red no puede ser modificado, la única diferencia en el CAPEX total en cada tecnologı́a está en los equipos de comunicaciones y sus sistemas de energı́a, ya que las tres alternativas usarán los mismos nodos y, por lo tanto, el coste de las torres será el mismo. En el caso de que se pudiesen elegir las ubicaciones de las torres, existirı́an mayores diferencias en el throughput, ya que para las distintas tecnologı́as se podrı́a minimizar el número de saltos y por tanto reducir el CAPEX al 195 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS 196 Enlace D Demanda (Km) Mbps BALSA17 21.2 4143 BALSA7 19.3 4974 BALSA5 27.2 5107 Wimax TH M/C MAX 16 26.3 QAM1/2 16 26.3 QAM3/4 16 16.9 QAM3/4 Total C($) M/C 89000 MCS12 89000 89000 Wifi TH MAX NV2 TH MAX C($) M/C 34.8 79400 MCS12 45.2 79400 MCS12 34.8 79400 MCS12 45.2 79400 MCS11 21.0 79400 MCS11 26.8 79400 267.0 238.2 Tabla 7.7: Comparación de las tecnologı́as para usarlas en la red de transporte para dar servicio a la femtoceldas de cada población de la Red de Telemedicina de Balsapuerto máximo para la demanda ofrecida. Por lo tanto, las únicas diferencias no asociadas al coste serán que las distintas tecnologı́as ofrecerán distintos caudales, aunque siempre serán mayores que la demanda para la cual se ha realizado el estudio, cumpliendo ası́ los requisitos de backhaul enunciados anteriormente. Para el caso de la Red de Telemedicina de Balsapuerto se espera un retardo introducido por la red de bakchaul de como máximo de 15 ms. Este retardo se obtendrá para la población de Balsapuerto siendo necesariamente menor para las localidades de San Gabriel (10 ms) y San Juan (5 ms). Red de Telemedina del Napo El mismo estudio se ha realizado para la red de Telemedicina del Napo. Los detalles de esta red también están descritos en el Capı́tulo 3.2. La Tabla 7.8 muestra los valores de throughput que demanda cada femtocelda según sus valores de población. Santa Clotilde Tacsa Curacay Negro Urco Tuta Pisco Huaman Urco Mazan Pob. 2685 583 263 287 385 3920 Pob.+It. 3222 699 315 344 462 4704 Subs 1707 370 166 182 244 2493 Total (Kbps) 3038.4 675.2 333.6 353.6 484.4 4314 Tabla 7.8: Datos de tráfico de datos para cada localización en la Red de Telemedicina del Napo Los datos correspondientes al tráfico de voz y datos se muestran en las Tablas 7.9 y 7.10. Se puede ver que en las poblaciones de Santa Clotilde y Mazán es necesario instalar 2 femtoceldas. C($) 238.2 7.3. CONSIDERACIONES ADICIONALES EN REDES DE TRANSPORTE MULTISALTO Santa Clotilde Tacsa Curacay Negro Urco Tuta Pisco Huaman Urco Mazan Voz Erlangs 18 4 2 2 3 25 Voz DL 914.4 203.2 101.6 101.6 152.4 1270 Voz UL 424 112 72 72 92 564 197 Voz UL+DL 1338.4 315.2 173.6 173.6 244.4 1834 Tabla 7.9: Datos de tráfico de voz para cada población en la Red de Telemedicina del Napo Santa Clotilde Tacsa Curacay Negro Urco Tuta Pisco Huaman Urco Mazan U. Datos 85 18 8 9 12 124 Datos DL 1275 270 120 135 180 1860 Datos UL 425 90 40 45 60 620 Datos UL+DL 1700 360 160 180 240 2480 Tabla 7.10: Datos de tráfico de datos para cada población en la Red de Telemedicina del Napo De igual manera que se hizo para la Red de Telemedicina de Balsapuerto se ha evaluado la viabilidad de cada tecnologı́a para su uso en la red de backhaul. Esta comparación se muestra en la Tabla 7.11 Enlace D Demanda (Km) Mbps EHAS17 39.1 3069 EHAS18 25.5 3751 EHAS19 32.2 4088 EHAS20 26.5 4445 EHAS21 22.3 4934 Total M/C Wimax TH MAX 16 QAM1/2 16 QAM3/4 16 QAM3/4 16 QAM3/4 64 QAM2/3 C($) M/C 12.0 89000 MCS11 17.2 89000 16.9 Wifi TH MAX NV2 TH MAX C($) M/C 14.4 79400 MCS11 24.0 79400 MCS11 22.1 79400 MCS11 28.2 79400 89000 MCS11 21.0 79400 MCS11 26.8 79400 17.2 89000 MCS11 22.1 79400 MCS11 28.2 79400 26.3 89000 MCS12 34.9 79400 MCS12 45.3 79400 445.0 397.0 Tabla 7.11: Comparación de las tecnologı́as para usarlas en la red de transporte para dar servicio a la femtoceldas de cada población de la Red de Telemedicina del Napo C($) 397.0 198 CHAPTER 7. COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS De igual manera que sucedı́a en la Red de Telemedicina de Balsapuerto las tres tecnologı́as son viables ya que ofrecen un throughput con retardo acotado y valores de jitter y pérdida de paquetes bajos, mucho mayor del que se espera que generen las femtoceldas. Para este caso, se espera que el retardo introducido por el backhaul en el peor caso sea de 25 ms y corresponde al tráfico que se genere en la población de Santa Clotilde. Este valor corresponde a la acumulación del retardo de 5 ms que cada enlace introduce a este tráfico. Para el resto de poblaciones se espera un retardo siempre menor. Chapter 8 CONCLUSIONES GENERALES Una vez analizados los resultados obtenidos, se puede obtener la conclusión de que es posible desplegar redes de transporte de bajo coste para dar acceso TIC a zonas rurales mediante el uso de femtoceldas. Para lograr esto, se ha considerado hacer uso de las tecnologı́as WiFi (en su versión estándar y sus versiones TDMA), WiMAX y VSAT, teniendo cada una distintas ventajas e inconvenientes: - WiFi estándar: 802.11n. Esta alternativa tiene la ventaja de que es una tecnologı́a barata, madura y probada en zonas rurales para enlaces de larga distancia. Sin embargo, tiene la desventaja de que su modo de acceso al medio reduce mucho las prestaciones cuanto más largo es el enlace. A pesar de esto, al ser un estándar abierto, al igual que se conocen los puntos débiles, se conocen formas para optimizar su rendimiento a través de modificaciones en el SlotTime, AckTimeouts, anchos de banda más grandes, uso de agregación de tramas, etc. - WiFi no estándar: NV2. Las implementaciones TDMA de WiFi tienen la ventaja de contar con el equipamiento barato y probado de 802.11n y, sin embargo, no cuenta con los problemas que tiene 802.11n a largas distancias ya que su modo de acceso al medio TDMA hace que las prestaciones no decaigan tanto con la distancia. Sin embargo, tienen la desventaja de ser soluciones privadas, lo cual hace que la implementación de la red dependa mucho del fabricante. - WiMAX: 802.16. WiMAX, al usar también TDMA, permite obtener rendimientos muy parecidos independientemente de las distancia y cuenta con la ventaja de que es una tecnologı́a estandarizada y, por lo tanto, implementada por muchos fabricantes de equipos. Sin embargo, 200 201 tiene algunas peculiaridades. Una desventaja es que su ancho de banda está limitado a 10 MHz según el estandar, por lo que las prestaciones no pueden alcanzar las ofrecidas por WiFi. Aunque pueda parecer que WiMAX tiene un peor rendimiento, en realidad esta tecnologı́a hace un uso más eficiente del canal y en igualdad de ancho de banda superarı́a a las prestaciones de las implementaciones WiFi. Esto hace que, para escenarios donde el ancho de banda sea una restricción, WiMAX sea la opción más adecuada. Adicionalmente, WiMAX se diferencia de WiFi en que permite operar en bandas licenciadas, lo que deja a WiMAX como única solución en aquellos paı́ses donde se obligue a las operadoras a trabajar en este tipo de bandas. - VSAT. El uso de VSAT, aunque se puede usar para conectar puntos muy alejados o de muy difı́cil acceso, está contemplado como pasarela del backhaul hacia la red core. También es la solución más adecuada para ofrecer servicios de backhaul para tiempos de operación pequeños del orden de menos de 5 meses. Dependiendo de la cantidad de tráfico que se quiera cursar a través de él, será más conveniente usar enlaces dedicados o compartidos. Sin embargo, siempre que sea posible se recomienda prescindir de VSAT debido a sus altos costes de operación. Este trabajo ha estudiado las capacidades que ofrece cada tecnologı́a, concluyendo que se pueden ofrecer altas tasas en enlaces de larga distancia asegurando requisitos de QoS. Sin embargo, el nivel de servicio que se quiera dar dependerá mayormente del presupuesto, debido a que para conseguir grandes throughputs, es necesario reducir significativamente la distancia entre enlaces para asegurar un balance de enlace adecuado en las modulaciones más elevadas, incrementando por tanto el número de saltos y el coste fijo total de la red. También se ha concluido que para que el backhaul mantenga un determinado nivel de QoS, es necesario realizar un control de tráfico en los nodos que inyectan tráfico de modo que nunca existan enlaces en situación de saturación. Asegurando esta condición de no saturación es posible obtener un backhaul de alto throughput y bajo retardo considerando que por cada salto en la red habrá un aumento de retardo de aproximadamente 5 ms. De esta manera, la única limitación tecnológica existente a la hora de desplegar grandes redes de backhaul multisalto de alta capacidad usando estas tecnologı́as, está en el retardo máximo permitido en la fetmocelda más lejana al GW. Chapter 9 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS Con la globalización de las TIC, incluso en las zonas rurales más aisladas existirá cada vez mayor demanda. El incremento del uso de teléfonos móviles hará, con el tiempo, que las redes de backhaul se queden pequeñas por lo que mejorar y optimizar su funcionamiento o encontrar nuevas soluciones será primordial. Por este motivo, se han identificado algunas vı́as de trabajo que podrı́an ser interesantes continuar para abordar estos problemas: - QoS. Definir cual es la mejor aproximación para lograr un backhaul no saturado puede ser una tarea interesante de abordar. Este trabajo no ha especificado qué mecanismo de QoS ha de usarse, ni cómo. Sin embargo, existe mucho margen de estudio para analizar las posibilidades de QoS de DiffServ y MPLS. Dentro de Diffserv existe mecanismos como HTB y HFSC que pueden ser estudiados para su uso en redes multisalto de backhaul de bajo coste como las planteadas. También el uso del bit ECN (Explicit Congestion Notification) y mecanismos de detección de congestión mediante acceso al tamaño de las colas en los nodos o mediante el análisis del retardo round-trip usando SVMs y Machine Learning puede ser planteado. - Optimización del backhaul. Si queremos mejorar el rendimiento de la red, es posible realizar estudios sobre la optimización de este tipo de redes de backhaul. Esto se puede hacer enfocando el problema de optimización desde distintos puntos de vista. Serı́a posible por un lado optimizar el backhaul de forma que la eficiencia sea máxima y se intenta transportar la mayor cantidad de tráfico posible en cada momento. Por otro lado, se podrı́a optimizar en función del consumo de energı́a, esto es, transportar tráfico sólo hasta cumplir los requisitos mı́nimos acordados, haciendo que los nodos consuman menos energı́a. 203 204 CHAPTER 9. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS Por último es posible realizar estudios de optimización multi-objetivo que permitan optimizar tráfico, por ejemplo, según las prioridades del operador (fetmoceldas más rentables). - 5G. La aplicación de las tecnologı́as 4G en las redes de backhaul estudiadas en este trabajo puede ser realizada directamente mediante una correcta parametrización, ya que las capacidades que se conisderan para 4G son compatibles con este tipo de redes. Sin embargo, 5G establece capacidades mucho mayores y retardos mucho menores, por lo que se necesita un estudio de mayor profunidad. Las redes 5G se basan principalmente en 3 conceptos básicos. Uso de bandas milimétricas en las redes de acceso, uso de SDNs (Software Define Networks) en RANs y redes backhauls dinámicas y aumento de la densidad de las celdas. No está claro todavı́a cómo el uso de bandas milimétricas en la red de acceso pueden afectar a las telecomunicaciones rurales. Sin embargo, el uso de redes definidas por software y el aumento del número de celdas será seguramente más beneficioso para las zonas rurales. Celdas pequeñas tendrán menores consumos de energı́a, crearán mayor redundancia y permitirán el desarrollo de las DTN (delay tolerant networks). Esto permitirá , junto con la implementación de SDNs, el desarrollo de las llamadas RANaaS (Radio Access Networks As A Service) y bakhauls heterogéneos. De esta forma, los nodos podrán ser simplificados al máximo reduciendo sus funcionalidades a las tareas radio más elementales, dejando a una entidad central realizar las operaciones más complejas de codificación, roaming, traffic offloading y compartición de ancho de banda entre clientes. Esto hará que dichos nodos de acceso sean menos costosos y por tanto desplegar redes rurales sea más barato. Aunque se estima que las tecnologı́as 5G comiencen a implementarse solamente en entornos urbanos, sólo es cuestión de tiempo que lleguen a las zonas rurales de todo el mundo. - Soluciones Mesh como backhaul cooperativo. Existen diversos proyectos como Guifinet [90], VillageTelco [88] y Altermesh [89] que exploran el uso de redes comunitarias libres para ofrecer servicios TIC. El uso de este tipo de redes en zonas rurales se está expandiendo rápidamente y el campo de estudio sobre cómo las redes malladas pueden reducir la brecha digital se hace cada vez más interesante. Con el aumento de la demanda y aumento de GWs en las redes malladas, hará necesarios nuevos estudios para optimizar tráfico en zonas rurales y continuar con el concepto de DTNs en estos entornos. - Monetización. Por último, el estudio de las redes de telecomunicaciones rurales no se debe enfocar solamente en la parte técnica. Para lograr el avance técnico y la creación de demanda en las zonas rurales, es necesario un estudio sobre cómo las poblaciones pueden acercarse a 205 las TIC y cómo las operadoras pueden invertir en las zonas rurales. Será necesario encontrar nuevos modelos sostenibles para que las redes rurales pueden mantenerse y prosperar sin la ayuda de agentes externos ya sea mejorando los modelos de negocio actuales de las operadoras o creando nuevos modelos de negocio basados en cooperativas o SMEs. Bibliography [1] Javier Simó (URJC), Eduardo Morgado (URJC), Esteban Municio (URJC), Iván Hernández (URJC), Enrique Gil (TIWS), Marı́a Gómez Garcı́a (TIWS) ”Technical requirements and evaluation of WiLD, WIMAX and VSAT for backhauling rural femtocells networks”. TUCAN3G project http://www.ict-tucan3g.eu/documents/ deliverables/TUCAN3G_D51URJCa.pdf [2] BALLESTERO DIAZ, F (2002). La Brecha Digital: El riesgo de la exclusión en la Sociedad de la Información. Fundación Retevisión. ISBN: 9788493154295 [3] BANCO MUNDIAL. Crecimiento total de la población y Urbanización. Datos globales y cifras http://www.bancomundial.org/temas/ cities/datos.htm [4] TUCAN3G - Wireless technologies for isolated rural communities in developing countries based on cellular 3G femtocell deployments http: //www.ict-tucan3g.eu/ [5] ITU - ICT Facts and Figures. 6.8 billion mobile-cellular subscriptions http://www.itu.int/ITU-D/ict/statistics/ict/ [6] Breiling, M.; Zia, W.; Sanchez de la Fuente, Y.; Mignone, V.; Milanesio, D.; Fan, Y.; Guta, M., ”LTE backhauling over MEO-satellites,” Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop (ASMS/SPSC), 2014 7th , vol., no., pp.174,181, 8-10 Sept. 2014 [7] IEEE 802.11-1999 Standard: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Computer Society, September 1999. [8] IEEE 802.11b-1999 Standard: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 5 GHz Band, Computer Society, 1999. 208 BIBLIOGRAPHY [9] IEEE 802.11b-1999 Standard: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, IEEE Computer Society, September 1999. [10] IEEE 802.11g-2003 Standard: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band, IEEE Computer Society, 2003. IEEE 802.16 Standard: Local and Metropolitan Area Networks-Part 16, IEEE-SA, 2004. [11] IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 2012 revision. [12] IEEE 802.16 Standard: ”Local and Metropolitan Area NetworksPart16”, IEEE-SA, 2009 revision. [13] Zheng, L.; Tse, D.N.C., ”Diversity and multiplexing: a fundamental trade-off in multiple-antenna channels”, Information Theory, IEEE Transactions, vol.49, no.5, pp.1073-1096, May 2003 [14] Biglieri, E.; Calderbank, R.; Constantinides, A.; Goldsmith, A.; Paulraj, A.; Poor H.V., ”MIMO Wireless Communications”, Cambridge University Press [15] Lozano, A.; Jindal, N., Transmit diversity vs. spatial multiplexing in modern MIMO systems?, Wireless Communications, IEEE Transactions, vol.9, no.1, pp.186-197, January 2010. [16] Bianchi, G., ”Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function”, Selected Areas in Communications, IEEE Journal March 2000 . [17] Bianchi G and Tinnirello I, ”Remarks on IEEE 802.11 DCF Performance Evaluation”, IEEE Communications Letters, 2005. [18] Tinnirello, I; Bianchi, G.; Yang Xiao, ”Refinements on IEEE 802.11 Distributed Coordination Function Modeling Approaches,” Vehicular Technology, IEEE Transactions on , vol.59, no.3, pp.1055,1067, March 2010 [19] X. J. Dong and P. Varaiya, ”Saturation throughput analysis of IEEE 802.11 wireless LANs for a lossy channel”, IEEE Communications Letters, vol. 9, pp. 100-102, Feb 2005 [20] H. Chen and Y. Li, ”Performance model of IEEE 802.11 DCF with variable packet length”, IEEE Communications Letters, Mar 2004 209 210 BIBLIOGRAPHY [21] Z. Kong, D. Tsang, B. Bensaou, D. Gao, ”Performance analysis of IEEE 802.11e contention-based channel access”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 22 (10) , pp.2095?2106, 2004. [22] Z. Tao, S. Panwar, ”Throughput and delay analysis for the IEEE 802.11e enhanced distributed channel access”, IEEE Transactions on Communications 54 (4), pp. 596-603, 2006. [23] J. Liu, Z. Niu, ”Delay analysis of IEEE 802.11e EDCA under unsaturated conditions”, Proceedings of the IEEE WCNC, 2007. [24] Jia Hu, Geyong Min, Weijia Jia, Mike E. Woodward, ”Comprehensive QoS analysis of enhanced distributed channel access in wireless local area networks, Information Sciences”, 214 (2012), pp. 20?34. [25] Sarris, I.; Nix, A.R., ”Design and Performance Assessment of HighCapacity MIMO Architectures in the Presence of a Line-of-Sight Component”, Vehicular Technology, IEEE Transactions, vol.56, no.4, pp.2194-2202, July 2007 [26] Bohagen, F.; Orten, P.; Oien, G.E., ”Design of Optimal HighRank Line-of-Sight MIMO Channels”, Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.6, no.4, pp.1420-1425, April 2007 [27] Guerra Anicama, C.D., ”Diseño e Implementación de una red inalámbrica IEEE 802.11n de Telemedicina en el distrito de Balsapuerto con soporte de QoS para teleconsultas”, Master thesis, 2012 [28] Mikrotik NV2 Manual, http://wiki.mikrotik.com/wiki/Manual: Nv2, modified on 7 June 2012 at 10 32. [29] Ubiquiti AirMAX AirOS 5 Manual, http://wiki.ubnt.com/Getting_ Started_with_airMAX, modified on 17 December 2012 at 21:59. [30] WiFiMAC FreeBSD, TDMA support in FreeBSD https://wiki. freebsd.org/WifiTDMA, [31] Technology and Infrastructure for Emerging Regions http://tier.cs. berkeley.edu/drupal/ [32] P. Bhagwat et al., ”Turning 802.11 Inside-Out”, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 34, n. 1, January 2004 [33] Simo Reigadas, Javier, et al., ”Modeling and optimizing IEEE 802.11 DCF for long-distance links ”, IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 9, n. 6, June 2010. BIBLIOGRAPHY [34] Sonesh Surana, Rabin Patra, Sergiu Nedevschi and Eric Brewer, ”Deploying a Rural Wireless Telemedicine System: Experiences in Sustainability”, Computer, vol. 41, n. 6, pp. 48-56, 2008. [35] Javier Simo-Reigadas, Eduardo Morgado, Esteban Municio, Ignacio Prieto-Egido and Andres Martinez-Fernandez. ”Assessing IEEE 802.11 and IEEE 802.16 as backhauling technologies for 3G small cells in rural areas of developing countries”, EUCNC 2014 [36] Malone, David, Ken Duffy, and Doug Leith, ”Modeling the 802.11 distributed coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions”, Networking IEEE/ACM Transactions, vol.15, no. 1, 2007 [37] IEEE 802.16 Standard: ”Local and Metropolitan Area Networks-Part 16”, IEEE-SA, 2004. [38] IEEE 802.16 Standard:”Local and Metropolitan Area Networks-Part 16 ”, IEEE-SA, 2009 revision. [39] Grønsund, p.; Johnsen, T; ”The Physical Performance and Path Loss in a Fixed WiMAX Deployment”, IWCMC. 2007, Honolulu, Hawaii. [40] Yousaf, F.Z.; Daniel, K.; Wietfeld, C., ”Performance Evaluation of IEEE 802.16 WiMAX Link With Respect to Higher Layer Protocols”, Wireless Communication Systems, 2007. [41] Trinchero, D.; Stefanelli, R.; Galardini, A.; Cambiotti, F.; Arnelli, C.; Guariso, E.; Monica, D.D.; Ragno, E.; Troisi, F.; Baldacci, L., ”Hiperlan and Wi-Max Propagation Experiments over Huge Distances”, Antennas and Propagation, The 2nd European Conference, November 2007. [42] Eliamani Sedoyeka, Z.Hunaiti ”Evaluation of WiMAX QoS in a Developing Countries Environment”, IEEE Computer Society Washington 2010. [43] Alinejad, A.; Philip, N.; Istepanian, R. S H, ”Mapping of multiple parameter m-health scenarios to mobile WiMAX QoS variables”, Engineering in Medicine and Biology Society, EMBC, 2011 Annual International Conference of the IEEE ,Sept. 3 2011 [44] Yan Zhang; Jun Zheng; Wei Li, ”A Simple and Effective QoS Differentiation Scheme in IEEE 802.16 WiMAX Mesh Networking”, Wireless Communications and Networking Conference, IEEE, March 2007 [45] Sharma, V.; Kumar, A.A.; Sandeep, S. R.; Sankaran, M.S., ”Providing QoS to Real and Data Applications in WiMAX Mesh Networks”, 211 BIBLIOGRAPHY 212 Wireless Communications and Networking Conference, IEEE , April 2008. [46] S. Peters and R. Heath, ”The future of WiMAX: Multihop relaying with IEEE 802.16j”, Communications Magazine, IEEE, January 2009. [47] C.Rey-Moreno, ”Análisis de la viabilidad de la modificación de la enmienda IEEE 802.16j para su aplicación en la banda no licenciada de 5 GHz”. Master Thesis Dissertation, Universidad Rey Juan Carlos, Spain, 2010. [48] Digital Video Broadcasting (DVB). Interaction channel for satellite distribution systems http://www.etsi.org/deliver/etsi_en/ 301700_301799/301790/01.05.01_60/en_301790v010501p.pdf [49] DVB-RCS2: ADVANCING TDM/TDMA TECHNOLOGY http://www.emcsatcom.com/index.php/technology/ dvb-rcs2-advancing-tdm-tdma [50] DVB-RCS2: ADVANCING TDM/TDMA TECHNOLOGY http://www.gilat.com/dynimages/t_brochures/files/ SkyEdgeII-IP-280914-FINAL.pdf [51] Linkstar Pro System https://www.viasat.com/files/assets/ LinkStarPro_System_041_web.pdf [52] STM VSAT Networks http://www.marinesatellitesystems.com/ index.php?page_id=818 [53] Exede Viasat-1 Broadband Satellite Networks //www.viasat.com/broadband-satellite-networks/ high-capacity-satellite-system https: [54] Comtech EF DATA CDM-570 http://www.comtechefdata.com/ products/satellite-modems/cdm-570 [55] MDM 3300 Satellite Modem mdm3300-satellite-modem http://www.newtec.eu/product/ [56] NovelSat NS3 http://www.novelsat.com/products/novelsat-ns3. html [57] Sasi Pilacheri Meethal, Jyothish J. ”A low cost connectivity solution for rural mobile telemedicine”, 2011 IEEE Global Humanitarian Technology Conference. [58] Ying Su, Jeffrey Soar.”Integration of VSAT with WiMAX Technology for E-health in Chinese Rural Areas”, 2010 International Symposium on Computer, Communication, Control and Automation. BIBLIOGRAPHY [59] Adit Kurniawan, Enok Wartika. ”Evaluation of Access Technology to Speed-Up Internet Penetration in Remote Areas, Case Study: Community Access Point in Regency of Garut, West Java, Indonesia ”, 2012 7th International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications [60] MF-TDMA or Dynamic SCPC http://www.newtec.eu/article/ article/mf-tdma-or-dynamic-scpc-not-an-easy-choice [61] Iperf https://iperf.fr/ [62] LISTA DE SATÉLITES CON COBERTURA EN ESPAÑA http:// www.enabierto.es/lista_de_satelites.html [63] Alessio Botta, Alberto Dainotti, Antonio Pescapé, A tool for the generation of realistic network workload for emerging networking scenarios, Computer Networks, Volume 56, Issue 15, 15 October 2012, Pages 3531-3547, ISSN 1389-1286 [64] NTP: Network Time Protocol, Netowrk Time Fundation http://www. ntp.org/, modified on Feb 2014. [65] WatchGuard Technologies, Inc. Radio Transmit Power and Receive Sensitivity Information. WatchGuard AP100 http://watchguard.com/ docs/datasheet/wg_ap_txrx.pdf [66] J.Martin et al., ”WiMAX performance at 4.9 GHz”, In Aerospace Conference, 2010 IEEE, 2010, pp.1-8. 2010. [67] Zsolt, Saffer, y Sergey Andreev. ”Delay Analysis of IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Network”, ICT International Conference, 2008. [68] Bruyne, J, W Joseph, L Verloock, y L Martens. Measurements and Evaluation of the Network Performance of a Fixed WiMAX System in a Suburban Environment. Wireless Communication Systems. 2008. ISWCS ’08. IEEE International Symposium on, Oct 2008. [69] Chandra, S., y A. Sahoo. An Efficient Call Admission Control for IEEE 802.16 Networks. Local and Metropolitan Area Networks, 2007. LANMAN 2007. 15th IEEE Workshop on, June 2007. [70] Albentia Systems, Datasheet CPEs. http://www.albentia.com/Docs/ CPEs%20WiMAX%20Interoperables%20Banda%20Libre%205%20GHz% 20ESP.pdf [71] CMT - Principales aspectos regulatorios y concesiones y licencias del Grupo Telefónica 2011. http://informeanual2011.telefonica.com/ pdf/anexo-vi.pdf 213 BIBLIOGRAPHY 214 [72] Viasat Tooway Surbeam2 Satellite Modem http://www. europe-satellite.com/EMS/pdf_files/tooway_installer_manual. pdf [73] Hughes HN9200 Satellite Modem resources/hn9200/download http://europe.hughes.com/ [74] MANUAL DE INSTALACIÓN, PROGRAMACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL MÓDEM SATELITAL VSAT https://www. google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja& uact=8&ved=0CCoQFjAB&url=http%3A%2F%2Fdat.perueduca.edu.pe% 2Fpresentaciones2013%2F4.pdf&ei=GBtJVNObGu-LsQTBxYLoDA& usg=AFQjCNGEnWz7esxIA-yeAJALM2ou3lP7TA&sig2= lJAMfMmwr810nltSyOyQTg [75] Viasat Subscription Plans and Prices Subscription%20plans%20and%20prices http://visat.bg/en/ [76] Internet Satelital sin FAP y Telefonı́a IP con Modem HN9200 Hughes http://ipviasatelite.com/profiles/blogs/ internet-satelital-sin-fap-y-telefonia-ip-con-modem-hn9200-hughes [77] Harris Salam Tariff Schedule VSAT http://www.harriscaprock. com/downloads/terms/Harris_Salam_Tariff_Information_Issue_ Published.pdf [78] Josep Vidal, Jaume del Olmo, Adrian Agustin, Antonio Pascual, Olga Muñoz (UPC), Omar Tupayachi, Miguel Angel Sanchez, Carlos Garcia, Antonio Ueunten (TdP) ”UMTS/HSPA network dimensioning”. TUCAN3G project http://www.ict-tucan3g.eu/ documents/deliverables/TUCAN3G_D41UPCai.pdf [79] Simo-Reigadas, Javier; Municio, Esteban; Morgado, Eduardo; Castro, Eva M.; Martinez, Andres, ”Sharing low-cost wireless infrastructures with telecommunications operators for backhauling 3G services in deprived rural areas” World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM), 2015 IEEE 16th International Symposium on June 2015. [80] Simo-Reigadas, Javier; Municio, Esteban; Morgado, Eduardo; Castro, Eva M.; Martinez, Andres; Solorzano, Luis F.; and Prieto-Egido, Ignacio. ”Sharing low-cost wireless infrastructures with telecommunications operators to bring 3G services to rural communities”. COMNET-D-15-142R1, 2015. [81] IPAccess SoHo SME Access Points http://www.ipaccess.com/ BIBLIOGRAPHY [82] Dimitri Bertsekas and Robert Gallager. 1992. Data Networks (2nd Ed.). Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, USA. [83] B. B. Mandelbrot, Long-run linearity, locally gaussian processes, hspectra and infinite variances,” Intern. Econom. 1969 [84] Recommendation ITU-T Q.3925. Traffic flow types for testing quality of service parameters on model networks.2012 [85] K. Parka, G. Kimb, M. Crovellab,”On the Effect of Traffic Self-similarity on Network Performance”. Proceedings of the 1997 SPIE International Conference [86] SCF 047.01.01,Small Cell Forum. Extending Rural and Remote Coverage Using Small Cells. Feb 2013 [87] Wireshark analyzer https://www.wireshark.org/ [88] Village Telco (2011) villagetelco.org [Online] Acceso: Dic 2012 http: //villagetelco.org [89] Proyecto RedesLibres Latinoamérica - Altermesh (2012, Sep) redeslibres.altermundi.net [Online] Acceso: Dic 2012 http:// redeslibres.altermundi.net [90] Guifi.net - Red Abierta y libre. Internet para todos.https://guifi. net/es [91] Ministerio de Asuntos Exteriores y Cooperación del Gobierno de España. Plan Director de la Cooperación Española 2009-2012 215 Creative Commons